FICHA RESUMEN

 

TITULO: DISEÑO, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN REACTOR UASB PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

FACULTAD: CIENCIAS Y TECNOLOGIA

CARRERA: INGENIERIA QUIMICA

TUTORES: LIC. OLVER CORONADO, M. SC. OMAR ARCE.

AUTOR: JORGE HUMBERTO MEJIA MENDOZA

AÑO: 1999

 

Se seleccionó un caso específico, la solución del problema de disposición de las aguas residuales del Centro Hospitalario y del Centro Educativo "Boliviano-Americano" de la población de Mallco Rancho (Cantón, II Sección Provincia Quillacollo).

Realizado un diagnóstico se planificó el sistema de tratamiento, diseñándolo para una población beneficiaria de 96 personas (población equivalente).

El reactor se construyó en los predios del mencionado Centro Educativo (volumen de 2,82 m3) utilizando anillas disponibles comercialmente y un recubrimiento de ferrocemento. El reactor está totalmente enterrado y posee una cámara de inspección para acceder a 8 puntos de muestreo. El separador GSL fue construido de fibra de vidrio brindando una zona de sedimentación correspondiente al 20% en volumen útil del reactor. El reactor ha sido diseñado para un caudal de tratamiento promedio de 0,09 l/s, con un TRH de 9 h y una velocidad ascencional de 0,50 m/h.

Los parámetros de control han sido la DQO, DBO y los ST, habiéndose monitoreado otros (N-NH3, P, SSV, SST, SV, SF, Conductividad, Salinidad, Coliformes fecales, Colifagos, Color, Turbiedad y otros). El reactor fue inoculado con 145 litros de lodo digerido proveniente de una laguna primaria de la Planta de Tratamiento de Albarrancho, alcanzando la estabilidad a los dos meses de funcionamiento. El período total de evaluación ha sido de 226 días, abarcando las estaciones de invierno, primavera y verano.

Las eficiencias de remoción obtenidas son de 74% para la DQOf (65% sin las aguas residuales de la lavandería), 37% para la DBO (28% sin las aguas residuales de la lavandería) y 13% (en promedio de todo el período de evaluación) para los ST.

Se ha comprobado la estabilidad del proceso, por monitoreo del pH y de la Alcalinidad, la fijación de los nutrientes por el proceso de digestión anaerobia y la formación de un lecho y manto de lodos de tipo floculento. Se determinó el aporte a la DQO, DBO y ST por parte de las aguas residuales de la lavandería del Centro Hospitalario, correspondiendo al 53%, 20%, 16% respectivamente.

Los costos de construcción son de $us 1.715, para un aporte percapita de 17,86 $us/hab y los costos de operación ascienden a 189,6 $us/año.

 

PALABRAS CLAVES: Reactor UASB, GSL, TRH, DQOf, DBO, ST, N-NH3, P, SSV, SST, SV, SF, Digestión anaerobia.

 

 

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

 

 

 

 

 

 

DISEÑO, CONSTRUCCION Y PUESTA EN MARCHA DE UN REACTOR UASB PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

 

Proyecto de Grado presentado como requisito parcial para obtener el Título de Licenciado en Ingeniería Química.

 

 

 

 

Realizado por: Jorge Humberto Mejía Mendoza

Tutores: Lic. Olver Coronado

M. Sc. Omar Arce

 

 

 

MAYO 1999

COCHABAMBA – BOLIVIA

INDICE GENERAL

 

CAPITULO 1 INTRODUCCION Y OBJETIVOS 1

1.1 INTRODUCCION 1

1.2 JUSTIFICACION 3

1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO 4

1.3.1 Objetivo general 4

1.3.2 Objetivos específicos 4

CAPITULO II REVISION BIBLIOGRAFICA 5

2.1 AGUAS RESIDUALES 5

2.1.1 Aguas residuales domésticas (ARD) 6

2.1.2 Composición, características fisicoquímicas y biológicas del agua residual 6

2.2 ESTIMACION DEL CAUDAL DE AGUA RESIDUAL 7

2.2.1 Medición de flujo en canales abiertos 8

2.3 PROCESOS DE TRATAMIENTO DEL ARD 8

2.3.1 Tratamiento aerobio 11

2.3.2 Sistemas convencionales de tratamiento anaerobio 11

2.3.2.1 Tanque Séptico 12

2.3.2.2 Tanque Imhoff 12

2.3.2.3 Lagunas anaerobias 13

2.3.3 Tratamiento anaerobio 13

2.3.3.1 Mecanismo de la digestión anaerobia 14

2.3.3.2 Factores que influyen en el tratamiento anaerobio de aguas residuales 17

2.3.4 Tratamiento aerobio versus tratamiento anaerobio 18

2.3.5 Procesos de alta tasa 20

2.3.5.1 Filtro anaerobio 21

2.3.5.2 Reactores de lecho fluidizado o lecho expandido 21

2.3.5.3 Reactor UASB 23

2.3.6 Dimensionamiento de los reactores UASB 30

2.3.6.1 Forma y Tamaño del reactor UASB 30

2.3.6.1.1 Cálculo del volumen del reactor 31

2.3.6.1.2 Cálculo de la altura del reactor 32

2.3.6.1.3 Diseño del separador Gas Sólido Líquido - GSL 33

2.3.6.1.4 Dispositivos de distribución del afluente y colecta del efluente 36

2.3.6.1.5 Otros dispositivos 36

2.3.7 Productos secundarios 37

2.3.8 Balance de masa en un reactor UASB 37

2.3.9 Puesta en marcha de un reactor UASB 39

2.3.9.1 Consideraciones importantes con respecto al arranque de reactores UASB 41

2.3.9.2 Inoculación del reactor UASB 42

2.3.10 Parámetros de evaluación de un Reactor UASB 42

2.4 MATERIALES DE CONSTRUCCION DE REACTORES UASB 43

2.4.1 Materiales de construcción y sus aplicaciones en la construcción de reactores UASB 44

CAPITULO III METODOLOGIA 45

3.1 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 45

3.1.1 Estudio de la zona del proyecto 45

3.1.2 Obtención de datos 45

3.1.3 Definición del diagrama de flujo del sistema de tratamiento 45

3.1.4 Dimensionamiento de la infraestructura auxiliar 46

3.1.5 Diseño del reactor UASB 46

3.1.6 Construcción de la infraestructura auxiliar y del reactor UASB 46

3.2 ARRANQUE Y EVALUACION DEL REACTOR UASB 46

3.2.1 Arranque del reactor UASB 46

3.2.2 Evaluación del funcionamiento del reactor UASB 46

3.2.3 Balances de DQO y ST 47

3.3 PROPUESTA PARA LA DISPOSICION FINAL DEL EFLUENTE 47

3.4 ANALISIS DE COSTOS 47

CAPITULO IV DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL REACTOR UASB 48

4.1 ESTUDIO DE LA ZONA DEL PROYECTO 48

4.1.1 Generalidades 48

4.1.2 Localización de la zona del proyecto 49

4.1.3 Servicios públicos existentes en la zona 51

4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO 52

4.2.1 Obtención de datos 52

4.2.1.1 Temperatura del ambiente 53

4.2.1.2 Población de diseño 54

4.2.1.3 Medición de caudales de agua potable consumida y agua residual producida 54

4.2.2 Definición del diagrama de flujo del sistema de tratamiento 55

4.2.2.1 Inspección sanitaria 55

4.2.2.1.1 Sistema de distribución de agua potable 55

4.2.2.1.2 Sistema de alcantarillado 55

4.2.2.1.3 Sistema de disposición del agua residual 56

4.2.2.2 Diagrama de flujo del nuevo sistema de tratamiento 58

4.2.3 Dimensionamiento de la infraestructura auxiliar 61

4.2.3.1 Construcción de las nuevas líneas de conducción del agua residual 61

4.2.3.2 Dimensionamiento de las cámaras de inspección 61

4.2.3.3 Diseño de la cámara desarenadora-homogeneizadora 61

4.2.3.4 Diseño de la cámara de inspección 63

4.2.4 Diseño del reactor UASB 64

4.2.4.1 Análisis de los datos de temperatura del ambiente 64

4.2.4.2 Cálculo del volumen del reactor 65

4.2.4.3 Cálculo de la altura del reactor 65

4.2.4.4 Diseño del separador GSL 66

4.2.4.5 Diseño del sistema de alimentación y conducción del efluente 68

4.3 CONSTRUCCIÓN DEL REACTOR UASB Y DE LA INFRAESTRUCTURA AUXILIAR 73

4.3.1 Construcción de la infraestructura auxiliar 73

4.3.2 Construcción del reactor UASB 75

CAPITULO V EVALUACION DEL REACTOR UASB 78

5.1 ARRANQUE Y EVALUACION DEL REACTOR UASB 78

5.1.1 Arranque del reactor UASB 78

5.1.2 Evaluación del funcionamiento del reactor UASB 79

5.1.2.1 Parámetros principales 80

5.1.2.1.1 DQO 80

5.1.2.1.2 DBO 83

5.1.2.1.3 ST 87

5.1.2.2 Parámetros auxiliares 89

5.1.2.2.1 Otros sólidos 89

5.1.2.2.2 Nutrientes 92

5.1.2.2.3 Patógenos 93

5.1.2.2.4 pH y Alcalinidad 94

5.1.2.2.5 Color y Turbiedad 96

5.1.2.3 Desempeño del reactor UASB 97

5.1.2.3.1 Etapa de Invierno 98

5.1.2.3.2 Etapa de Primavera 99

5.1.2.3.3 Etapa de Verano 100

5.1.3 Balances de masa 100

5.1.3.1 Balance de DQO 101

5.1.3.1.1 Perfiles de concentración 101

5.1.3.2 Balance de ST 107

5.2 PROPUESTA PARA LA DISPOSICION FINAL DEL EFLUENTE 114

CAPITULO VI COSTOS 115

6.1 COSTOS DE CONSTRUCCION Y OPERACION DEL REACTOR UASB 115

6.1.1 Costos de construcción 115

6.1.2 Costos de operación 115

6.2 COMPARACION DE COSTOS DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO 117

CAPITULO VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 119

7.1 CONCLUSIONES 120

7.2 RECOMENDACIONES 121

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 128

 

LISTA DE TABLAS

 

Tabla 2.1 Contaminantes en el agua residual 5

Tabla 2.2 Composición típica del ARD 7

Tabla 2.3 Criterios importantes para la selección de tratamientos de aguas residuales 10

Tabla 2.4 Factores claves para la selección de tecnología en tratamiento de aguas residuales en países desarrollados y en desarrollo 10

Tabla 2.5 Tratamiento aerobio versus tratamiento anaerobio 9

Tabla 2.6 Beneficios y limitaciones del tratamiento anaerobio 20

Tabla 2.7 Comparación de diversos sistemas de tratamiento de agua residual 4

Tabla 2.8 Aspectos importantes de diferentes sistemas de tratamiento de agua residual 45

Tabla 2.9 Resumen de resultados sobre eficiencias de reactores UASB que tratan ARD crudas. 9

Tabla 2.10 Valores aproximados de carga orgánica volumétrica en relación a la temperatura 30

Tabla 2.11 Dimensiones básicas de ejemplos de reactores UASB para eficiencias de remoción de DQO mayor a 80% y de DBO mayor a 85%, para diferentes poblaciones 31

Tabla 2.12 Criterios tentativos de diseño para reactores UASB respecto a TRH a diferentes temperaturas operacionales para aguas residuales diluidas (< 1000 mg DQO/l) 32

Tabla 2.13 Principales objetivos del separador GSL de un reactor UASB tratando ARD 4

Tabla 2.14 Resumen de guías tentativas para el diseño del dispositivo separador GSL 5

Tabla 2. 15 Guías para determinar el número de puntos de alimentación en un reactor UASB 6

Tabla 2.16 Características de un inóculo inadaptado para puesta en marcha de un reactor UASB 41

Tabla 4.1 Resultados del análisis del agua residual

53

Tabla 5.1 Concentración de DQOt y DQOf durante todo el período de observación .

Tabla 5.2 Concentración de DBO en el reactor UASB 86

Tabla 5.3 Concentración de ST y Ssed en el reactor UASB 90

Tabla 5.4 Concentración de SF y SST en el reactor UASB *91

Tabla 5.5 Concentración de SVT y SFT en el reactor UASB 91

Tabla 5.6 Concentración de SVF y SFF en el reactor UASB 92

Tabla 5.7 Concentración de Nitrógeno amoniacal y Fósforo en el reactor UASB 93

Tabla 5.8 Concentración de Coliformes fecales y Colifagos en el reactor UASB 94

Tabla 5.9 Concentración de Color y Turbiedad en el reactor UASB 97

Tabla 5.10 Concentraciones de DQO en todo el período de evaluación 104

Tabla 5.11 Distribución de concentraciones teóricas calculadas de DQO 105

Tabla 5.12 Balance de masa respecto a la DQO 90

Tabla 5.13 Concentraciones de ST en todo el período de evaluación 110

Tabla 5.14 Balance de masa respecto a los ST 114

Tabla 6.1 Costos de construcción del reactor UASB 116

Tabla 6.2 Costos de operación del reactor UASB 117

Tabla 6.3 Costos comparativos de sistemas de tratamiento de agua residual 118

 

LISTA DE FIGURAS

 

Fig. 2.1 Composición media de las ARD 6

Fig. 2.2 Dispositivo para medición media de flujo en canales abiertos 8

Fig. 2.3 Secuencia de procesos en la digestión anaerobia de macromoléculas complejas 15

Fig. 2.4 Representación esquemática de los procesos de descomposición aerobios y anaerobios 18

Fig. 2.5 Sistemas anaerobios de alta tasa o modernos para el tratamiento de aguas residuales. 22

Fig. 2.6 Eficiencias de remoción y TRH para diferentes sistemas de tratamiento anaerobio 23

Fig. 2.7 Esquema de un reactor UASB con sus principales dispositivos. 25

Fig. 2.8 Comparación entre sistemas clásicos de tratamiento de agua residual

Fig. 2.9 Ejemplos de separadores GSL para reactores UASB 34

Fig. 2.10 Esquema de los componentes del balance de masa de un reactor UASB.

Fig. 2.11 Balance de masa respecto a la DQO en un reactor UASB 39

Fig. 4.1 Departamento de Cochabamba 48

Fig. 4.2 Provincia de Quillacollo con sus diferentes secciones 49

Fig. 4.3 Ubicación geográfica de Mallco Rancho 50

Fig. 4.4 Centro Hospitalario "Orlando Taja" y Centro Educativo Boliviano Americano 51

Fig. 4.5 Temperaturas medias del ambiente Provincia Quillacollo, años 1997 y 1998 53

Fig. 4.6 Sistema de alcantarillado existente en el área del proyecto 56

Fig. 4.7 Flujograma del proceso de tratamiento de las aguas residuales 59

Fig. 4.8 Esquema del nuevo sistema de tratamiento de las aguas residuales 60

Fig. 4.9 Esquema de la cámara desarenadora-homogeneizadora 62

Fig. 4.10 Separador GSL 66

Fig. 4.11 Posición del separador GSL dentro del reactor UASB 68

Fig. 4.12 Detalle de la línea de alimentación al reactor y de la salida del efluente 69

Fig. 4.13 Línea interna de alimentación al reactor UASB 70

Fig. 4.14 Línea externa de alimentación al reactor UASB 71

Fig. 4.15 Esquema del reactor UASB 72

Fig. 4.16 Detalle de un punto de muestreo 76

Fig. 5.1 Eficiencias de remoción de la DQO durante el período de Invierno 80

Fig. 5.2 Eficiencia de remoción de la DQO total y filtrable durante el período de Primavera 81

Fig. 5.3 Eficiencias de remoción de DQO total y filtrable durante el período de Verano 82

Fig. 5.4 Eficiencias de remoción de DQOt y DQOf en todo el período de evaluación 82

Fig. 5.5 Eficiencias de remoción de la DBO durante el período de Invierno 84

Fig. 5.6 Eficiencia de remoción de la DBO durante el período de Primavera 85

Fig. 5.7 Eficiencia de remoción de la DBO durante el período de Verano 85

Fig. 5.8 Eficiencias de remoción de DBO en todo el período de evaluación 86

Fig. 5.9 Eficiencias de remoción de los principales sólidos durante el período de Invierno 87

Fig. 5.10 Eficiencia de remoción de los principales sólidos durante el período de Primavera 88

Fig. 5.11 Eficiencia de remoción de los principales sólidos durante el período de Verano 88

Fig. 5.12 Eficiencias de remoción de otros sólidos en todo el período de evaluación 90

Fig. 5.13 Comportamiento del pH 95

Fig. 5.14 Comportamiento de la Alcalinidad en todo el período de evaluación 95

Fig. 5.15 Eficiencias de remoción del Color y de la Turbiedad en todo el período de evaluación *96

Fig. 5.16 Perfil de DQO en el reactor UASB en la etapa de Invierno 101

Fig. 5.17 Perfil de DQO en el reactor UASB en la etapa de Primavera 102

Fig. 5.18 Perfil de DQO en el reactor UASB en la etapa de Verano 103

Fig. 5.19 Perfil de ST en el reactor UASB en la etapa de Invierno 107

Fig. 5.20 Perfil de ST en el reactor UASB en la etapa de Primavera 108

Fig. 5.21 Perfil de ST en el reactor UASB en la etapa de Verano 109

Fig. 5.22 Perfil de Ssed en el reactor UASB en la etapa de Invierno 111

Fig. 5.23 Perfil de Ssed en el reactor UASB en la etapa de Primavera 112

Fig. 5.24 Perfil de Ssed en el reactor UASB en la etapa de Verano 113

 

LISTA DE FOTOGRAFIAS

Fotografía 4.1 Predios del Centro Hospitalario "Orlando Taja" 52

Fotografía 4.2 Rebalse de los pozos de absorción 58

Fotografía 4.3 Ubicación para la construcción del reactor UASB. 59

Fotografía 4.4 Cámara desarenadora-homogeneizadora 62

Fotografía 4.5 Cámara de inspección del reactor UASB 63

Fotografía 4.6 Separador GSL 67

Fotografía 4.7 Líneas de alimentación al reactor 69

Fotografía 4.8 Vista superior del reactor UASB 76

Fotografía 4.9 Estructura de ferrocemento utilizada en el reactor UASB 76

Fotografía 4.10 Puntos de muestreo instalados en el reactor UASB 77

Fotografía 5.1 Inoculación del lodo al reactor UASB 78

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LAGUNA DE ESTABILIZACION TANQUE SEPTICO LODO ACTIVADO UASB

(2000 A.C) (1906) (1914) (1976)

Luz solar biogas biogas

 

Afluente Efluente Aereador Efluente Efluente

Afluente Efluente Afluente

Lodo

 

Lodo

 

Afluente

% de remoción

Sólidos suspendidos

Material orgánico

Nutrientes

Patógenos

Buena

90

90

20

99

mala

50

50

20

90

muy buena

>95

>98

>95

>95

buena

85

85

20

90

Costos

Construcción ($/hab).

Mantención ($/hab/año)

Buena

25

2

mala

100

5

mala

50

5

muy buena

15

2

Tamaño

Profundidad

Area (m2/hab)

Mala

1

3

mala

2

0.2

buena

4

0.03

muy buena

5

0.01

Estabilidad

Buena

buena

mala

buena

Simplicidad

muy buena

muy buena

mala

muy buena

Inconvenientes

Olor, insectos,

mal aspecto al paisaje

Olor, mantenimiento

Disposición del efluente

Lodo

olor

 

Fig. 2.8 Comparación entre sistemas clásicos de tratamiento de agua residual

Fuente: van Haandel (1998).

 
 
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