UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Trabajo de Titulación al Grado de Ingenieros Químicos Tema: ESTUDIO DE TRATABILIDAD DE AGUAS RESIDUALES DE BEBIDAS GASEOSAS Y DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO. Autores: ALVARADO SOLÓRZANO MARÍA JOSÉ GONZÁLEZ SUÁREZ CINDY ANABEL Tutor: ING. JUDITH CHALEN MEDINA, MSc Guayaquil – Ecuador 2016
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Trabajo de Titulación al Grado de Ingenieros Químicos
Tema:
ESTUDIO DE TRATABILIDAD DE AGUAS RESIDUALES DE BEBIDAS
GASEOSAS Y DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO.
Autores:
ALVARADO SOLÓRZANO MARÍA JOSÉ
GONZÁLEZ SUÁREZ CINDY ANABEL
Tutor:
ING. JUDITH CHALEN MEDINA, MSc
Guayaquil – Ecuador
2016
I
DECLARACIÓN DE AUDITORÍA
Las interpretaciones que se obtienen en este trabajo de investigación, son
(STD), color, turbiedad. Cuando se ha degradado la materia orgánica se
procede a realizar la precipitación química, filtración y oxidación, por
último la caracterización de la muestra para la comparación con la norma
ambiental vigente. Una vez finalizado estudio de tratabilidad, con los
datos obtenidos se procedió a realizar el diseño del sistema de
tratamiento.
Palabras clave: Lodos activados, aclimatación, enzimas, efluentes de
bebidas gaseosas.
XIV
ABSTRACT
In order to meet environmental standards, Industries today need to apply
several treatments for a proper effluent discharge, always according to its
activity, it is necessary to comply with the limits set by authorities. This
study began with the characterization of soft drink wastewater, this effluent
had an initial pH of 5 which was neutralized to 7 in order to get it ready for
applying an extended aeration activated sludge treatment, with a 5-days’
time of residence for a correct catalyst Bioenzymar (Quality Corporation
S.A., 2013) and nutrients as urea- phosphates. In the extended aeration
activated sludge process we are trying to determinate a daily monitoring of
the following parameters: biochemical oxygen demand (BOD5), chemical
oxygen demand (COD), pH, nitrites, nitrates, phosphates, sulfates, total
suspended solids (TSS), total solids (TS), total dissolved solids (TDS),
color, turbidity. After the organic matter degraded, we proceeded to
implement a tertiary treatment and did a proper characterization of the
sample, so we could use it to compare it with the current environmental
standards. Once completed the soft drink wastewater treatability study,
with the help of all the data obtained, we can start the design of the
wastewater treatment system.
Keywords: Activated sludge, acclimation, enzymes and effluents of soft
drinks.
1
INTRODUCCIÓN
La protección del ambiente es, indudablemente, uno de los desafíos más
importantes para la humanidad, y la generación de contaminantes de las
actividades industriales representa una amenaza para el equilibrio
ambiental.
Todas las industrias deben cumplir la norma de descarga para sus
efluentes, para lo cual es necesario aplicar diferentes tratamientos y así
llegar a los límites máximos permisibles que están descritos en el Anexo 1
del Acuerdo Ministerial 097 A.
Existen diferentes tratamientos de aguas residuales y para su aplicación
dependerá de qué contaminante se quiere remover y en qué proporción.
De estos tratamientos los procesos biológicos son los que presenta una
mayor efectividad para la remoción de la materia orgánica.
Los procesos biológicos pueden ser procesos aerobios, anaerobios,
anóxicos, los cuales operan de manera diferente, en el caso de los
procesos aerobios tenemos el sistema de lodos activados, donde el
efluente es tratado en un reactor biológico aerobio con un tiempo de
residencia determinado para la degradación de la materia orgánica.
La degradación de la carga contaminante se lleva a cabo con la ayuda de
catalizadores enzimáticos y nutrientes.
El tratamiento de lodos activados es eficiente, sin embargo para eliminar
la materia suspendida es necesario aplicar un tratamiento terciario.
2
CAPÍTULO l
1. LA INVESTIGACIÓN (EL PROBLEMA)
1.1 Tema
Estudio de tratabilidad de aguas residuales de bebidas gaseosas y diseño
del sistema de tratamiento.
1.2 Planteamiento del problema
El presente estudio se lo realiza para evaluar el agua residual del proceso
productivo, de la elaboración de bebidas gaseosas a través de la
determinación de análisis físico-químicos, con la finalidad de que se
ajusten a los límites máximos permisibles de descarga a un cuerpo de
agua dulce tabla 9, Anexo 1 del Acuerdo Ministerial 097 A.
Actualmente los efluentes generados por algunas industrias del país, no
cumplen con los parámetros de descargas establecidos, debido a que
requieren modificaciones en sus plantas de tratamiento.
Es importante recalcar que el incumplimiento de las Normas Ambientales
actuales exigidas por el Ministerio de Ambiente pondrá en riesgo el
normal funcionamiento de la empresa generando multas y sanciones,
para evitar esto se ha realizado un estudio del caso establecido.
1.3 Limitación del estudio
La preparación y posterior análisis e investigación se la realizará en los
Laboratorios de la Facultad de Ingeniería Química, los cuales se
encuentran ubicados en la Ciudadela Universitaria “Salvador Allende”
ubicada en el Malecón del Salado entre Av. Delta y Av. Kennedy.
3
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González. Fuente: Google Earth.
Ubicación: Ciudadela Universitaria “Salvador Allende” ubicada en el
Malecón del Salado entre Av. Delta y Av. Kennedy.
FIGURA 1 PANORÁMICA SATELITAL DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA - UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL, ECUADOR
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González.
Fuente: Google Earth.
1.4 Alcance del estudio
El presente trabajo de titulación permite desarrollar un método para la
reducción de los niveles de carga orgánica e inorgánica que genera este
tipo de Industria.
SISTEMA DE COORDENADA UTM GW S ZONA 17 S
Punto X Y
1 622169 9759199
2 622103 9759066
3 622543 9758397
4 622844 9758504
5 622649 9758978
4
Además se estima un diseño del sistema de tratamiento que se pueda
utilizar para este tipo de agua residual y lograr mitigar el impacto
ambiental que produce este efluente.
1.5 Objetivos
General
Realizar un estudio de tratabilidad de aguas residuales de bebidas
gaseosas y diseñar el sistema de tratamiento.
Específicos
Determinar cuáles son los parámetros críticos que presenta el
efluente en estudio.
Identificar el proceso óptimo para la reducción de la carga orgánica e
inorgánica de las agua residuales de bebidas gaseosa
Calcular los porcentajes de remoción del efluente tratado y comparar
los resultados obtenidos con los límites máximos permisibles de la
tabla 9 Anexo 1 del Acuerdo Ministerial 097A
1.6 Idea a defender
Mediante el tratamiento biológico de lodos activados aplicado en aguas
residuales provenientes de industria de bebidas gaseosas, se logra
disminuir la carga orgánica del efluente y así cumplir con los parámetros
establecidos por la Legislación Ambiental
1.7 Preguntas a contestar
¿En qué concentración se encuentran cada parámetro indicador de
contaminación de los efluentes industriales?
¿Cuál es el porcentaje de carga orgánica removido, una vez aplicado los
tratamientos respectivos?
5
¿Se cumplen con los límites máximos permisibles de descarga a un
cuerpo de agua dulce, Anexo 1 del Acuerdo Ministerial 097A?
1.8 Justificación del problema
El agua es tanto un derecho como una responsabilidad, por ello tiene
valor económico, social y ambiental. No cabe duda de que la industria es
motor de crecimiento económico y es clave para el progreso social. Sin
embargo, la necesidad de maximizar el proceso productivo excluye de la
planificación la protección del Medio Ambiente.
El impacto de los vertidos industriales depende no sólo de sus
características comunes, sino también de su contenido en sustancias
orgánicas e inorgánicas específicas. Esta alteración puede tener nefastas
consecuencias para la sociedad que depende de este recurso para el
desarrollo industrial.
La calidad del agua es el resultado de un conjunto de factores, por lo
tanto la industria debe producir y generar un desarrollo sustentable.
Razón por la cual el presente estudio se lo realiza con la finalidad de
conocer las características de los efluentes que se generan en esta planta
de bebidas gaseosas y mitigar sus posibles contaminantes mediante un
estudio de tratabilidad.
Los beneficiarios de este estudio serán sin duda el Ambiente, que una vez
evaluado las descargas de agua residual y su origen industrial se
buscarán reducir los contaminantes de dicho efluente, para que el
ecosistema se mantenga el grado de equilibrio ecológico.
1.9 Hipótesis
Con el estudio de tratabilidad vamos a lograr reducir la carga orgánica e
inorgánica del efluente y llegara límite permisible para su descarga,
conforme a la tabla 9 Anexo 1 del Acuerdo Ministerial 097A.
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1.10 Variables
Variable dependiente (van a cambiar de acuerdo al proceso)
AGUA RESIDUAL
El agua residual presenta las siguientes características:
DBO
DQO
Turbidez
Solidos suspendidos y totales
Color
Aceites y Grasas
Sulfatos
Variable independiente (no cambian de acuerdo al proceso)
SISTEMA DE TRATAMIENTO
El sistema de tratamiento presenta las siguientes características:
Temperatura
pH
Nutrientes
Enzimas
1.11 Variables de Operación
En la siguiente Tabla 1 se observará las variables de operación que se
tomaron en el estudio de tratabilidad de aguas residuales.
TABLA 1 VARIABLES DE OPERACIÓN
Variable Indicadores Equipos de Medición
Unidades de Medición
Dependiente
Agua residual
DBO5 BODTrack
HACH/28197-01 mg/L
DQO Colorimeter
DR/890 mg/L
Turbidez Colorimeter
DR/890 FRU
Solidos suspendidos
Método estándar mg/l
7
totales
Solidos totales Plancha de
Calentamiento g
Solidos totales disueltos
WATERPROF PH/ CON 10
µs
Color Colorimeter
DR/890 Pt-Co
Aceites y Grasas TOG/TPH Analyzer
mg/L
Independiente
Sistema de Tratamiento
Temperatura WATERPROF PH/
CON 10 °C
pH WATERPROF PH/
CON 10 -
Nutrientes Colorimeter
DR/890 mg/L
Enzimas - ml
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
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CAPITULO II
(REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA)
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 Proceso Industrial para la elaboración de bebidas gaseosas
Para la elaboración de bebidas gaseosas, se van a utilizar ingredientes y
aditivos permitidos por el INEN. El agua utilizada es debidamente tratada
mediante procesos físicos y químicos, de forma que quede apta para ser
utilizada en la elaboración del jarabe simple, que consiste en agua más
azúcar. A este jarabe simple se le adicionan los saborizantes, acidulantes
y preservantes dándole a la bebida características especiales, y
diferenciadoras. (Cáceres, 2011)
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
AGUA TRATADA
PARA PROCESO
PREPARACION DE
JARABE SIMPLE
PREPARACION DE
JARABE TERMINADO
CARBONATACION
ENVASADO
FIGURA 2 PROCESO DE ELABORACION DE BEBIDAS GASEOSAS
9
2.1.1 Agua tratada para proceso
Se utiliza agua potable de la red municipal y se almacena en una cisterna,
como medida de contingencias se utiliza agua potable en tanqueros, a la
que se le realiza análisis para confirmar su calidad antes de su uso.
Los analistas y jefe de Aseguramiento de Calidad monitorean y verifican
diariamente un residual de cloro entre 0.5 a 1.5 ppm y los parámetros que
requiere la Norma de agua potable para consumo humano.
El agua clorada pasa por un sistema de Filtro de arena, Filtro de carbón
activado y finalmente Filtro pulidor de 10 micras, quedando un residual de
cloro de cero (0 ppm), el agua filtrada pasa por radiación UV antes de
entrar a planta para la elaboración de bebidas. (Cáceres, 2011)
2.1.2 Preparación de bebida terminada
El agua tratada y el jarabe son bombeadas hasta la sala de Envasado y
entra al tanque desaireador (para eliminar aire) y para iniciar la pre-
carbonatación luego pasa al tanque proporcionador de agua, está por
medio del micrómetro (sirve para regular el flujo de agua) pasa a la
mezcla, al mismo tiempo el jarabe es bombeada al tanque elevado de
jarabe, el cual desciende por gravedad al vaso de mezcla. Dependiendo
de la bebida a preparar, ambos líquidos caen al tanque mezcla.
La bebida preparada es bombeada por tubería inox al intercambiador de
calor que baja la temperatura de 25°C a 4-5°C retornando al carbo-cooler
a través de un venturi donde se inyecta el gas carbónico que se disuelve
en la bebida preparada. (Cáceres, 2011)
2.1.3 Para el llenado de botellas PET (Envases no retornables)
Se reciben las botellas PET en el área de Despaletizado Manual,
donde se encuentran dos personas que abastecen de botellas al
monoblock, antes de proceder al llenado de las botellas estas son
10
rinseadas con agua para eliminar cualquier tipo de microorganismo
presente.
Se realiza el llenado y capsulado, el operador monitorea el
funcionamiento de la llenadora (cambios de sabor, cambios de
tamaño, coronado, velocidades, etc.).
Después del capsulado de la botella esta pasa por un lente de
inspección en donde se encuentra una persona que verifica el nivel
de llenado y que estén correctamente capsuladas.
Luego las botellas son etiquetadas y son transportadas para ser
empaquetadas en Termoencogible al cual se lo adecua
dependiendo del tamaño de la botella. Esta máquina esta operada
por una persona que será el responsable de controlar el proceso
del mismo.
Una vez que el producto pasa por el termoencogible, es Paletizado
por un estibador de producto terminado, y finalmente es
transportado y almacenado en la bodega. (Cáceres, 2011)
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
PREPARACION DE
JARABE SIMPLE
PREPARACION DE
JARABE TERMINADO
CARBONATACION
Azúcar, benzoato,
carbón
Concentrados y
aditivos
Agua tratada,
jarabe
Residuos de
azúcar, benzoato,
carbón
Residuos de
jarabe
Residuos de
bebida
Envases
lavados
Residuos de
envases lavados ENVASADO
FIGURA 3 DIAGRAMA DE FLUJO DE LAS ÁREAS DONDE SE GENERA EL EFLUENTE
11
Como resultado de estas operaciones se va a generar un efluente que se
descarga a un tanque de almacenamiento para su posterior tratamiento
2.2 Contaminantes
El agua se contamina cuando es alterada su composición de manera
directa o indirectamente, dejándola como un agua no apta para el
consumo humano, agricultura, diferentes actividades industriales, etc.;
siendo esto un resultado negativo por parte de ciertas acciones
realizadas por el hombre y también pueden ser provocadas por fuentes
naturales. La contaminación del agua se mide de acuerdo al uso que se le
dé a la misma. (Crespo, 2000)
2.2.1 Contaminación del agua
El agua es el líquido vital para todo ser vivo, su contaminación de una u
otra forma nos limita al uso que se le puede dar. Hoy en día a las plantas
de tratamientos con avances técnicos les es difícil remover o destruir
compuestos orgánicos sintéticos presentes en aguas procedentes de
actividades industriales. Un problema mayoritario es el que tienen los
desagües industriales. (Orden, 2010)
Existen diferentes contaminantes que afectan al agua, como:
2.2.1.1 Contaminantes Físicos: Estos pueden ser sólidos de origen
natural, productos sintéticos o líquidos insolubles que son
arrojados con o sin consentimiento del hombre al agua,
provocando mal aspecto e interfiriendo en una cierta
proporción con la flora y fauna. (Narváez, 2006)
2.2.1.2 Contaminantes Químicos: Los conforman tanto compuestos
orgánicos como inorgánicos que se encuentran disueltos o
dispersos en el agua, los compuestos inorgánicos en su gran
mayoría son liberados a la atmósfera y son arrastrados por la
lluvia contaminando el medio receptor. (Narváez, 2006)
12
2.2.1.3 Contaminantes Orgánicos: La vida acuática es afectada por
contaminantes orgánicos debido a que ellos consumen el
oxígeno disuelto del agua y reducen la vida acuática. Los
compuestos orgánicos también son sólidos dispersos o
disueltos que proceden de desechos agrícolas, domésticos e
industriales especialmente de tinturas, breas, grasas,
insecticidas entre otras. (Narváez, 2006)
2.2.1.4 Contaminantes Biológicos: Estas contienen virus, bacterias y
hongos de tal forma que generan enfermedades y ciertas
mencionadas anteriormente son causantes de la degradación
de materia orgánica del agua. (Narváez, 2006)
TABLA 2 CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES
Contaminante Causa de su importancia
Sólidos suspendidos
Pueden conducir al desarrollo de depósitos de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan aguas residuales crudas en un medio acuático.
Materia orgánica biodegradable
Está compuesta principalmente de proteínas, carbohidratos y grasas. Se mide en términos de DBO y DQO por lo general.
Nutrientes
El C, N y P son nutrientes, cuando se descargan en las aguas residuales pueden producir crecimiento de vida acuática indeseable.
Materia orgánica refractaria
Resiste tratamiento convencional Ejemplos: detergentes, fenoles y pesticidas agrícolas.
Metales pesados Provienen de aguas residuales comerciales e industriales y es posible que deban ser removidos para reuso del agua.
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Sólidos inorgánicos disueltos
Algunos como el calcio, sodio y sulfatos son agregados al suministro doméstico original como resultado del uso y es posible que deban ser removidos para reuso del agua.
Fuente: Tratamiento de Aguas Residuales, Teoría y Principios de Diseño, (Rojas, 1999)
2.3 Agua Residual
Agua Residual es el agua de composición variada proveniente de uso
doméstico, industrial, comercial, agrícola o de otra índole, sea público o
privado y es por tal motivo que haya sufrido degradación es su calidad
original. (Anexo1,TULSMA, 2015)
Existen dos tipos de agua residual:
Agua Residual Doméstica (ARD): mezcla de desechos líquidos
de uso doméstico evacuados de residencias, locales públicos,
educacionales, comerciales e industriales.
Agua Residual Industrial (ARI): agua de desecho generada en
las operaciones o procesos industriales. (Anexo1,TULSMA, 2015)
El agua residual también se puede clasificar de acuerdo su contenido
contaminante como:
Aguas negras son aquel tipo de agua que se encuentra
contaminada con sustancia fecal y orina, que justamente proceden
de los desechos orgánicos tanto de animales como de los
humanos.
Aguas grises son las que provienen de tinas, lavadoras,
lavamanos, duchas y contienen sólidos suspendidos, fosfatos,
tensoactivos, coliformes fecales, entre otros. (Anexo1,TULSMA,
2015)
14
2.3.1 Toma de muestras de agua residuales
Para la toma de muestras, la determinación de los valores y
concentraciones de los parámetros para una posterior caracterización de
un agua residual es importante seguir métodos estándares o
normalizados de análisis con el fin de obtener resultados confiables.
Existen 2 tipos de muestras las cuales pueden ser simples o compuestas.
(Rojas, 1999)
2.3.1.1 Muestras simples
El volumen mínimo para una muestra simple es de 1 L, estas son
tomadas en un instante y sitio específico proporcionando una
caracterización del agua en ese momento y lugar específico, se aplica a
aguas que contiene un flujo intermitente o cuando su composición es
relativamente constante. (Ramalho, 1996)
2.3.2 Caracterización de Aguas Residuales
Para realizar una caracterización de aguas residuales es importante la
muestra compuesta que se realiza durante una jornada de trabajo, y la
preservación de la misma.
TABLA 3 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS COMUNES DEL
AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL
Tipo Características
Propiedades físicas
Color
Olor
Sólidos
Constituyentes químicos
Orgánicos
Aceites y grasas
Agentes tensoactivos
Compuestos orgánicos volátiles
Inorgánicos Alcalinidad
Cloruros
15
Metales pesados
Nitrógeno
pH
Fósforo
Sulfatos
Fuente: (Metcalf & Eddy, 1995)
2.3.2.1 Características Físicas
Dentro de las características físicas que se consideran para un
tratamiento son:
Sólidos Totales
Se define como la materia que se obtiene como residuo después de
someter el agua a un proceso de evaporación entre 103 y 105°C. Los
sólidos totales comprenden todo el material, orgánico e inorgánico, que no
se evapora a dicha temperatura. Los sólidos totales o residuos de
evaporación además se clasifican en filtrables (disueltos) y o no filtrables
(sólidos en suspensión). (Espíndola, 2011)
Olores
En general los olores son producto de la liberación de gases
tanto presentes originalmente como productos del proceso de
descomposición de la materia orgánica. A veces los olores del agua
industrial son causados por los mismos compuestos olorosos que estas
presentan en el agua o por conforme pasa el tiempo se van generando
olores por el tratamiento al que son sometidos. (Espíndola, 2011)
Temperatura
La temperatura no solo altera las reacciones químicas, velocidades de
reacción o el proceso de la vida acuática, sino también la solubilidad del
oxígeno. (Espíndola, 2011)
Densidad
La densidad es una propiedad que se utiliza para para definir algunas
instalaciones del tratamiento de agua que se elige aplicar, siendo
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importante para la determinación del potencial de formación de corrientes
d densidad en fangos de sedimentación (Metcalf & Eddy, 1995)
Color
El agua residual puede presentar diferentes colores como negro, gris, gris
oscuro debido a la formación de sulfuros metálicos por reacción del
sulfuro liberado en condiciones anaerobias con metales presentes en el
agua residual liberada. (Metcalf & Eddy, 1995)
2.3.2.2 Características Químicas
El contenido de materia orgánica, materia inorgánica y los gases
presentes en el agua son los factores más importantes que describen las
características químicas de las aguas residuales. (Metcalf & Eddy, 1995)
La materia orgánica
Los compuestos orgánicos están formados por orgánicos volátiles y
temperaturas elevadas, éstos provienen de son sólidos o liquidas de reino
animal o vegetal, o también de actividades relacionadas con las síntesis
de orgánicos. Una de las consecuencias que presentan los compuestos
orgánicos es que son responsables de la aparición de espumas en la
superficie de los cuerpos receptores de aguas y en las plantas de
tratamientos. (Borja, 2011)
Medidas del contenido orgánico
Los tratamientos de aguas residuales son sometidos a la determinación
de concentraciones elevadas de compuestos orgánicos y determinación
de trazas, siendo el más utilizado la demanda bioquímica de oxígeno
(DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO) avalados por la
legislación ambiental. (Metcalf & Eddy, 1995)
El DQO se utiliza para medir la cantidad de oxígeno equivalente necesario
para oxidar químicamente la materia orgánica presente en el agua, y a su
vez el DBO se lo realiza con el fin de obtener la cantidad del oxígeno
requerido por organismos vivos para degradar la materia orgánica
17
presente en el agua a través procesos bioquímicos. (Metcalf & Eddy,
1995)
Materia inorgánica
Son varios los componentes inorgánicos de las aguas residuales de
importancia para la determinación y control de la calidad del agua. Entre
ellos están el fosforo, el nitrógeno, los sulfatos y cloruros. (Metcalf & Eddy,
1995)
El Fósforo
Si no se controla la cantidad de fósforos presentes en el agua a tratar
puede haber crecimientos indeseables de algas y microrganismos en
aguas superficiales, de ahí su gran importancia de removerlos. (Metcalf &
Eddy, 1995)
El Nitrógeno
La cantidad de nitrógeno se utiliza para evaluar la tratabilidad de las
aguas residuales por tratamientos biológicos. En aguas residuales se
controlan generalmente las formas de nitrógeno amoniacal, nitritos y
nitratos. (Metcalf & Eddy, 1995)
Los Sulfatos
Se encuentran comúnmente en las aguas residuales, se requieren para la
síntesis de proteínas y se liberan en su descomposición. La turbidez en el
ensayo depende de la concentración de iones sulfatos, éste método
analítico requiere de mediciones colorimétricas a 450nm. (Metcalf & Eddy,
1995)
Los Cloruros
Presentes en el agua residual principalmente debido a su uso como
biácida. Aunque en los tratamientos convencionales no se reducen,
interfieren en el ensayo del DQO y su determinación sirve para controlar
la polución marina y la tasa de bombeo acuífero costero.
18
Los cloruros en concentraciones mayores a 15.000 ppm son considerados
tóxicos para el tratamiento biológico convencional. (Rojas, 1999)
Gases
Entre los principales gases que pueden presentar las aguas residuales
están el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2), el sulfuro de hidrógeno
(H2S), el amoníaco (NH3), el metano (CH4) y el nitrógeno (N2). (Rojas,
1999)
El oxígeno
Este gas es muy considerado al momento de implementar un diseño,
operación y evaluación de plantas de tratamiento de aguas residuales,
pues es un gas de solubilidad baja requerido para la vida acuática. (Rojas,
1999)
2.4 Tratamiento de aguas residuales
Las plantas de tratamiento de aguas residuales son sistemas compactos
que se utilizan para reducir la materia orgánica e inorgánica y obtener un
producto a niveles tolerables que no alteren nuestro ecosistema.
Para lograr la remoción de DQO de un agua residual es necesario
realizar un tratamiento completo utilizando diferentes operaciones
unitarias que están comprendidas en los pretratamiento, tratamiento
primario, secundario, y terciario, además de evaluar el factor económico
que se necesario invertir.
TABLA 4 TIPOS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
Tipos Tratamientos
Primarios
Sedimentación
Flotación
Separación de aceites
Homogenización
Neutralización
Flotación por aire disuelto
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Precipitación Química
Secundarios
Biológicos: aerobios, anaerobios y anóxicos.
Lodos Activados
Aireación prolongada (oxidación)
Estabilización por contacto
Lagunas de aireación
Estabilización de lagunas
Filtros Biológicos (percoladores)
Discos Biológicos
Terciarios
Microtamizado
Filtración
Precipitación Química
Adsorción(carbón activado)
Intercambio iónico
Ósmosis Inversa
Electrocoagulación
Procesos de reducción de nutrientes
Fuente: (Ramalho, Tratamiento de Aguas Residuales, 1996)
2.4 Tratamiento Primario
El objetivo del tratamiento primario es la reducción del material en
suspensión, excepto material coloidal o sustancias disueltas presentes en
el agua. Así, la remoción del tratamiento primario permite quitar entre el
60 a 65% de sólidos sedimentables y hasta un 30 a 35 % de sólidos
suspendidos presentes en el agua residual. Igualmente, se puede
conseguir una reducción de la contaminación bacteriológica (Grefa, 2013)
Neutralización
La neutralización (tratamiento ácido-base del agua residual) puede
utilizarse para los siguientes fines:
Ajuste final del pH del efluente antes de la descarga al medio
receptor: 5,5-9.
20
Antes del tratamiento biológico: pH entre 6,5-8,5 para una actividad
biológica óptima.
Precipitación de metales pesados: es la aplicación más importante.
Intervienen diversos factores: producto de solubilidad del metal, pH
óptimo de precipitación, concentración del metal y del agente
precipitante, presencia de agentes complejantes del metal
(cianuros, amonio). Los metales pesados se precipitan
normalmente en forma de hidróxidos, utilizando cal hasta alcanzar
el pH óptimo de precipitación (6-11). (Grefa, 2013)
2.5 Tratamiento Secundario
El tratamiento secundario tiene como objetivo eliminar la materia orgánica
disuelta. Para ello se emplean millones de organismos microscópicos
cuyo trabajo es comerse (degradar) la materia orgánica para
transformarla en más microorganismos y en sustancias más sencillas,
tales como bióxido de carbono (CO2), metano (CH4), nitrógeno amoniacal
(NH3), nitratos (NO3-) y agua (H2O). El tratamiento secundario incluye
procesos biológicos de lodos activados y la sedimentación. (Vegay, 2013)
2.5.1 Tratamientos Biológicos
Los tratamientos biológicos se llevan a cabo por la actividad biológica
realizada por los microorganismos, se efectúa este tratamiento para lograr
la eliminación de sustancias orgánicas biodegradables presentes en el
agua residual en forma coloidal y como disolución.
Entre los principales de procesos biológicos están los aeróbicos, anóxico,
anaeróbicos.
Los procesos aeróbicos se efectúan en presencia de oxígeno y es
el más común a nivel industrial.
Los procesos anaeróbicos son aquellos en los cuales el tratamiento
biológico ocurre en ausencia de oxígeno.
21
El proceso anóxico se retira nitrógeno en ausencia de oxígeno.
(Metcalf & Eddy, 1995)
2.5.2 Enzimas
Las enzimas son moléculas de naturaleza proteínica que aceleran las
reacciones bioquímicas. Son catalizadores biológicos que disminuyen la
energía de activación de las reacciones que catalizan, de forma que se
aceleran sustancialmente la tasa de reacción. (Flores, 2013)
En la figura 4. Se presenta una clasificación de las enzimas:
Fuente: John McMurry, Macromoléculas, Enzimas, tabla de enzimas, Clasificación de enzimas.
2.5.2.1 Características de las enzimas
La tecnología enzimática consiste en la obtención, manipulación y
modificación de enzimas para su aplicación y utilización con fines
industriales, clínicos o analíticos en diversos campos. (Flores, 2013)
FIGURA 4 CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS
22
El éxito de la tecnología enzimática se debe a las propias características
que contienen las enzimas:
Son catalizadores biológicos, es decir, proteínas producidas por los
seres vivos que aceleran las reacciones químicas y no se
consumen durante el proceso.
Son altamente eficaces y específica, ya que poseen gran poder
catalítico y un elevado rendimiento, no forman subproductos
indeseados y tienen la capacidad de reconocer a su sustrato,
incluso entre sus isómeros.
Funcionan en condiciones suaves, a presión atmosférica,
temperatura ambiente y pH neutro.
Actúan tanto dentro como fuera de las células que las producen,,
por lo que pueden utilizarse in vitro para fines analíticos, sanitarios
o industriales.
Están sometidas a regulación, por lo que los procesos enzimáticos
se pueden controlar fácilmente. (Flores, 2013)
Por todas estas razones, se puede afirmar que las enzimas forman parte
de un medio ambiente sostenible, ya que son sustancias naturalmente
biodegradables, su utilización no requiere equipos resistentes a presión,
calor o corrosión, ahorrando dinero y energía, pueden sustituir o reducir la
utilización de sustancias químicas contaminantes en distintos tipos de
industrias y se producen ecológicamente a partir de organismos vivos.
Además, las modernas técnicas de la biología molecular permiten mejorar
los procesos de producción y desarrollar nuevas enzimas y nuevos
campos de aplicación.
Según la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular
(IUBBM), las enzimas se clasifican en seis grupos en función del tipo de
reacción que catalizan, y en prácticamente todos ellos existen enzimas
que son utilizadas actualmente en procesos industriales (Flores, 2013)
23
2.5.3 Catalizador enzimático- QUALY BIOENZYMAR
Es una mezcla liquida conteniendo altos niveles de proteasa, amilasa y
lipasa. Este concentrado es un catalizador que acelera la acción de la
biomasa de sistemas de tratamiento de aguas residuales, para a
degradación de aceites, proteínas, almidones, azucares.
La especificidad del sustrato general de QUALY BIOENZYMAR permite a
las enzimas hidrolizar con eficacia la mayoría de las proteínas. La
contenida en pescados, la hemoglobina (proteínas de la sangre), la
caseína (proteínas de la leche), las yemas de huevo; otras proteínas se
hidrolizan a péptidos de bajo peso molecular.
QUALY BIOENZYMAR puede ser utilizado en sistemas de tratamiento de
aguas residuales, tales como plantas de lodos activados, lagunas de
oxidación, digestores, pozos sépticos, en sistemas de alcantarillado,
trampas de grasas; así como para la eliminación y control de malos olores
y en actividades productoras de abonos orgánicos, bioles y compostaje.
(Quality Corporation S.A., 2013)
2.5.4 Tratamiento Aeróbio
El tratamiento aeróbio es un proceso en el cual el oxígeno libre es el único
receptor final de electrones; este oxígeno es reducido y la materia
orgánica e inorgánica es oxidada. Todos los organismos que usan
oxigeno libre como receptor de electrones son aeróbicos. (Rojas, 1999)
Las bacterias son los organismos más importantes en el proceso aeróbico
de las aguas residuales, son excelentes oxidadores de materias orgánicas
y crecen bien en aguas residuales, siendo capaces de formar una capa
floculenta gelatinosa de buenas características para la remoción de la
materia orgánica. (Rojas, 1999)
Las reacciones involucradas en el metabolismo microbial son de una gran
complejidad, se puede representar el proceso de oxidación aeróbica por
la ecuación 1 (Rojas, 1999)
24
Materia orgánica donante de hidrogeno + O2 H2O+ CO2 + Biomasa
(Ec. 1)
En la oxidación biológica aeróbica el oxígeno libre es esencial para los
organismos aeróbicos como agente para la oxidación de compuestos
orgánicos en CO2. La oxidación biológica aeróbica está constituida por
reacciones de óxido reducción en las cuales el oxígeno molecular es el
receptor final de electrones. Éste es agregado al sustrato, y ocurre la
oxidación o mineralización del residuo. La reacción es muy eficiente,
porque libera grandes cantidades de energía, necesaria para la síntesis
del nuevo tejido celular. Las tres reacciones esenciales que ocurren en los
procesos aeróbicos se describen en las ecuaciones 1.1, 1.2, 1.3 (Rojas,
TABLA 10 CARACTERIZACIÓN DEL TRATAMIENTO SECUNDARIO
Parámetros Unidades
Resultados % de
remoción Afluente Lodos
activados
Aceites y grasas
mg/l 6 3 50.00%
DQO mg/l 4980 802 83.89%
DBO5 mg/l 2070 415 79.95%
Nitritos mg/l 30 115 -
Nitratos mg/l 17 59 -
Fosfatos mg/l 31 84 -
Sulfatos mg/l 14 56 -
SST mg/l 207.3 321 -
ST mg/l 356.4 1596 -
STD mg/l 149.1 1275 -
Turbiedad NTU 53 489 -
Ph - 5.11 7.75 -
Color Pt-Co 470 1730 -
Carga contaminante
Kg/día 348.6 56.14 83.89%
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González & Laboratorio
Acreditado de Aguas- Petróleo y Medio Ambiente
Observación: Se puede observar que el tratamiento secundario logro
remover un 50% de aceites y grasas, 83.89% de DQO, 79.95% de DBO5,
y 83.89% de carga contaminante del efluente industrial.
3.4 Tratamiento terciario
Una vez degradada la materia orgánica se procede a realizar un
tratamiento terciario para remover la materia inorgánica y orgánica
degradada y con este proceso se puede llegar a los limites máximo
permisible de descarga.
TABLA 11 COCENTRACION DE LA SOLUCION
Concentración de la solución
Policloruro de aluminio
10000ppm
Floculante 1000ppm
49
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Fuente: Laboratorio de Tratamiento de Aguas de la Facultad de Ingeniería Química
La mejor dosificación es la que presenta la jarra 1 por lo que se procede a
realizar la precipitación química del efluente.
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
TABLA 14 DOSIFICACION DE CLORO
Dosificación
Cloro Concentración de la solución
0.5ppm 1000ppm
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Coagulante Floculante
Jarra 1 40ppm 10ppm
Jarra 2 30ppm 10ppm
Jarra 3 20ppm 10ppm
TABLA 12 DETERMINACION DE LA DOSIS
TABLA 13 APLICACIÓN DE LA DOSIFICACION AL SEDIMENTADOR
Dosificación Coagulante Floculante
4000ppm 1000ppm
FIGURA 22 TEST DE JARRA
50
TABLA 15 CARACTERIZACIÓN DEL TRATAMIENTO TERCIARIO
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González & Laboratorio Acreditado de
Aguas- Petróleo y Medio Ambiente
Observación: Se puede apreciar que el tratamiento terciario se logra
remover un 6.66% de aceites y grasas, 78.05% de DQO, 80.96% de
DBO5, 50% de sulfatos, 60.12% de SST y 78.05% de carga contaminante.
TABLA 16 CARACTERIZACIÓN MUESTRA TRATADA POR FILTRACIÓN
Parámetros Unidades
Resultados % de
remoción Tratamiento
biológico Agua
precipitada
Aceites y grasas mg/l 3 2.8 6.66%
DQO mg/l 802 176 78.05%
DBO5 mg/l 415 79 80.96%
Nitritos mg/l 115 58 49.56%
Nitratos mg/l 59 12.5 78.81%
Fosfatos mg/l 84 25.3 69.88%
Sulfatos mg/l 56 28 50.00%
SST mg/l 321 128 60.12%
ST mg/l 1596 957 40.04%
STD mg/l 1275 829 34.98%
Turbiedad NTU 489 89 81.80%
pH - 7.75 7.50 -
Color Pt-Co 1730 432 75.03%
Carga contaminante
Kg/día 56.14 12.32 78.05%
Parámetros Unidades
Resultados % de
remoción Tratamiento
terciario Agua
filtrada
Aceites y grasas mg/l 2.8 1 64.28%
DQO mg/l 176 142 19.32%
DBO5 mg/l 79 61 22.78%
Nitritos mg/l 58 39 32.76%
Nitratos mg/l 12.5 6.3 49.60%
Fosfatos mg/l 25.3 18.6 26.48%
Sulfatos mg/l 28 20 28.57%
SST mg/l 128 63 50.78%
ST mg/l 957 756 21.00%
51
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González & Laboratorio Acreditado de
Aguas- Petróleo y Medio Ambiente
Observación: Aplicando filtración al efluente precipitado se puede
observar que se removió un 64.28% de aceites y grasas, 19.32% de
DQO, 22.78% de DBO5, 28.57% de sulfatos, 50.78% de SST y 78, 19.32
% de carga contaminante.
TABLA 17 CARACTERIZACIÓN DE LA DESINFECCION
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González & Laboratorio
Acreditado de Aguas- Petróleo y Medio Ambiente
Observación: A la muestra filtrada se la clora obteniendo como
porcentajes de remoción el 100% de aceites y grasas, 57.75% de DQO,
59.02% de DBO5, 60% de sulfatos, 28.57% de SST y 57.75% de carga
contaminante.
STD mg/l 829 693 16.40%
Turbiedad NTU 89 51 42.70%
pH - 7.50 7.52 -
Color Pt-Co 432 311.4 27.92%
Carga contaminante
Kg/día 12.32 9.94 19.32%
Parámetros Unidades Resultados % de
remoción Agua filtrada Agua Clorada
Aceites y grasas mg/l 1 No detectable 100%
DQO mg/l 142 60 57.75%
DBO5 mg/l 61 25 59.02%
Nitritos mg/l 39 17 56.41%
Nitratos mg/l 6.3 2.8 55.55%
Fosfatos mg/l 18.6 12.3 33.87%
Sulfatos mg/l 20 8 60.00%
SST mg/l 63 45 28.57%
ST mg/l 756 681 9.92%
STD mg/l 693 636 8.22%
Turbiedad NTU 51 22 56.86%
pH - 7.52 7.58 -
Color Pt-Co 311.4 86.5 72.22%
Carga contaminante
Kg/día 9.94 4.2 57.75%
52
TABLA 18 PORCENTAJE DE REMOCION
Parámetros
Tratamiento biológico
Tratamiento terciario
Lodos Activados
Precipitación Filtración Agua
clorada
Aceites y grasas
50% 6.66% 64.28% 100%
DQO 83.89% 78.05% 19.32% 57.75%
DBO5 79.95% 80.96% 22.78% 59.02%
Nitritos - 49.56% 32.76% 56.41%
Nitratos - 78.81% 49.6% 55.55%
Fosfatos - 69.88% 26.48% 33.87%
Sulfatos - 50.00% 28.57% 60.00%
SST - 60.12% 50.78% 28.57%
ST - 40.04% 21.00% 9.92%
STD - 34.98% 16.40% 8.22%
Turbiedad - 81.80% 42.70% 56.86%
Ph - - - -
Color - 75.03% 27.92% 72.22%
Carga contaminante
83.89% 78.05% 19.32% 57.75%
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Observación: Se puede observar que el tratamiento secundario solo
removió DQO, DBO5 y aceites & grasas, el tratamiento terciario remueve
con la desinfección todos los parámetros quedando dentro de los límites
máximos permisibles
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
0
20
40
60
80
100
120
Lodos Activados Prepicipitación
Filtracion Agua clorada
FIGURA 23 PORCENTAJES DE REMOCIÓN
53
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
4980
802176 142 60
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000DQO
Maximo permisible
2070
41579 61 25
0
500
1000
1500
2000
2500 DBO5
Maximo permisible
63 2,8 1 0
05
101520253035
ACEITES Y GRASAS
Maximo permisible
14 56 28 20 8
0200400600800
10001200
SULFATOS
Maximo permisible
207,3
321
128
63 45
0
100
200
300
400SST
Maximo permisible
356,4
1596
957756 681
0
500
1000
1500
2000ST
Maximo permisible
5,11
7,75 7,5 7,52 7,58
0
2
4
6
8
10pH
Maximo permisible
470
1730
432 311,40
0
500
1000
1500
2000COLOR
Maximo permisible
FIGURA 24 COMPARACION CON LOS LÍMITES PERMISIBLES DEL TRATAMIENTO
54
TABLA 19 COMPARACIÓN DE MUESTRA TRATADA POR
CLORACION CON LÍMITES DE DESCARGA TABLA 9 DEL ACUERDO
MINISTERIAL 097A
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Análisis de los resultados
Antes de realizar el tratamiento se procedió a calcular el índice de
biodegradabilidad el cual se calcula dividiendo el DBO5 para el DQO
(2070/4980=0.41), este nos indica que el agua es Biodegradable porque
el factor calculado es mayor a 0.4
Como se puede observar en la tabla 19 cada uno de los parámetros
controlados se encuentra dentro de los límites máximos permisibles de
descarga a un cuerpo de agua dulce descritos en la tabla 9 Anexo 1 del
Acuerdo Ministerial 097A.
Parámetros Unidades Resultados Máximos
permisibles AM(097A)
Aceites y grasas mg/l 0 30
DQO mg/l 60 200
DBO5 mg/l 25 100
Nitritos mg/l 17 -
Nitratos mg/l 2.8 -
Fosfatos mg/l 12.3 -
Sulfatos mg/l 8 1000
SST mg/l 45 130
ST mg/l 681 1600
STD mg/l 636 -
Turbiedad NTU 22 -
pH - 7.58 6-9
Color Pt-Co 4 Inapreciable en
dilución 1/20
Carga contaminante
Kg/día 4.2 -
55
TABLA 20 COSTO POR METRO CUBICO
Elaborado por: María Alvarado y Cindy González
Elaborado por: María Elaborado por: María Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González
Producto Químico
Costo ( $ / Kg)
Dosificación Costos
Totales($)
Cal 0,12 12 g 0.12
Enzima 24,00 10 ml 0,93
Policloruro 1,15 40 mg/L 0,46
Floculante 7,20 10 mg/L 0,72
Cloro 0.5 0,5 ml 0.20
2,43
FIGURA 25 PRECIPITACION FIGURA 26 AGUA ACLIMATADA
56
Elaborado por: María Elaborado por: María Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González
3.5 Métodos y técnicas
Metodología del análisis
El método utilizado para la realización de los análisis físicos – químicos de las muestras tomadas durante el proceso experimental, fue mediante el equipo Colorimeter DR 890, marca HACH, PH/ CON 10, marca WATERPROF
Elaborado por: María Elaborado por: María Elaborado por: María
Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González
FIGURA 31 EQUIPO “WATERPROF PH/
CON 10”
FIGURA 29 EQUIPO “COLORIMETER DR
890”
FIGURA 30 EQUIPO “DIGESTOR”
FIGURA 27 CLORACION
FIGURA 28 FILTRACIÓN
57
Elaborado por: María Elaborado por: María Elaborado por: María
Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González Alvarado y Cindy González
Elaborado por: María
Alvarado y Cindy González
Metodología del equipo Colorimeter DR 890, marca HACH
Mediante este equipo se realizaron los análisis correspondientes a los