Autor: Manuel E. López M. - Consultor y Auditor Ambiental
La presente conferencia data sobre la aplicación de las diferentes tecnologías de tratamiento biológico de aguas residuales en nuestro medio Centroamericano y del Caribe, a la depuración de desechos líquidos generados por la industria avícola, poniendo de manifiesto la importancia de una adecuada caracterización físico química del agua residual cruda, como requisito previo para elegir el arreglo más conveniente del sistema de tratamiento idóneo, según cada caso particular.
La ponencia se basa en la experiencia del consultor en esta materia, incluye tecnologías aeróbicas y anaeróbicas, así como los requerimientos previos de tratamiento primario (físicoquímico) y se pone de manifiesto la imperiosa necesidad de contar, para cada caso particular, con la participación de consultores competentes en ingeniería hidráulico sanitaria y ambiental, en aras de elegir la opción más aplicable a cada situación específica.
El contenido técnico tratado, se refiere al caso más complejo de las aguas residuales de naturaleza industrial generadas en la actividad avícola, correspondiente a los desechos generados por mataderos de aves, sin incluir las aguas negras de tipo doméstico, que en algunas ocasiones están mezcladas con los efluentes residuales industriales.
2. LAS AGUAS RESIDUALES AVÍCOLAS
Se puede decir que "aguas residuales" son aquellas aguas que una vez utilizadas en algún proceso (en nuestro caso: industria avícola), son afectadas negativamente en cuanto a su calidad, tornándose ofensivas para el medio ambiente y la salud pública. En el caso específico de la industria avícola, las aguas residuales contienen sustancias contaminantes de naturaleza orgánica e inorgánica, que son generadas durante el proceso industrial.
El componente orgánico se refiere a la introducción de materias de procedencia orgánica, normalmente biodegradables, cuya presencia en el agua residual conduce a la aparición y crecimiento de microorganismos, que utilizan el desecho orgánico como fuente de alimentación, y como consecuencia de su crecimiento, ponen en riesgo la salud pública debido a su potencial patógeno. Estos componentes orgánicos se generan a través del lavado de estiércol, durante la matanza y desangrado, recambio de agua en chillers y escaldadoras, escaldado, pelado, corte de la carne, patas, cabezas, extracción y manejo de vísceras, limpieza de mollejas y manejo de subproductos avícolas, etc. Un caso muy particular de interés, dentro de estos compuestos orgánicos contaminantes presentes en las aguas residuales, se refiere a las elevadas concentraciones de grasas y aceites generadas durante el proceso.
El inorgánico se refiere a sustancias contaminantes introducidas de carácter inorgánico, originadas en el uso de químicos para limpieza y desinfección de pisos, equipo y maquinaria industrial, las cuales deterioran su calidad física y química. Estas sustancias van desde materiales inertes en suspensión, hasta materiales tóxicos en dilución, los cuales convierten el agua residual en un impactante factor de desequilibrio de los ecosistemas acuáticos y su entorno.
Precisamente dependiendo del tipo de contaminante presente en el agua, orgánico y/o inorgánico, así será el sistema de tratamiento depurador. En nuestro caso, tomando en cuenta que ambos componentes están presentes, será necesario contar con un tratamiento primario (físico-químico) previo al tratamiento secundario (biológico) y su principal objetivo, consiste en reducir la materia orgánica contaminante presente en el desecho, antes de su vertido en el cuerpo de agua receptor, normalmente en un río, aunque en ocasiones especiales el vertido puede hacerse en redes públicas de alcantarillado sanitario, en cuyo caso, los requerimientos de tratamiento son menores.
La presente ponencia se referirá al caso más crítico: descarga en un cuerpo de agua receptor, en cuyo caso la normativa vigente es más estricta desde el punto de vista ambiental.
3. CARACTERIZACIÓN Y DIAGNÓSTICO
Antes de tomar la decisión sobre el sistema de tratamiento, es fundamental efectuar un estudio de Caracterización y Diagnóstico de Aguas Residuales, que permita evaluar y decidir, cuáles son las cargas hidráulicas y contaminantes que serán utilizadas para el diseño de la estación depuradora, incluyendo previsiones para crecimiento futuro.
Esta etapa de caracterización y diagnóstico, es a veces menospreciada por algunos empresarios, quienes consideran que pueden “ahorrarse” algún dinero efectuando evaluaciones superficiales de planta y creyendo que se puede resolver, posteriormente, con la adquisición de la planta de tratamiento. Este razonamiento es totalmente improcedente y por el contrario, es necesario contar con un sólido estudio básico de caracterización y diagnóstico, que servirá de base para el posterior análisis de opciones disponibles de tratamiento, y para la más correcta decisión, desde el punto de vista técnico, económico y de otros intereses empresariales.
Las cargas hidráulicas se refieren al régimen de caudales generados en la actividad industrial, en sus diferentes etapas, los cuales dependen de la forma de uso del agua de abastecimiento. Para ello, se deberá evaluar el volumen residual descargado diariamente, sus variaciones diarias o estacionales y muy especialmente, las variaciones horarias que se presentan en el caudal durante un día típico de operación. Para tales efectos, se deberá tomar en cuenta la jornada de actividad (turnos de trabajo) y las diferentes fases del proceso industrial, en especial la matanza, lavado y mantenimiento industrial.
Las cargas contaminantes se refieren a los flujos de materia orgánica, biodegradable y total, generados durante la actividad, así como la carga de sólidos, grasas y aceites, entre otros.
Para tales efectos, resulta imprescindible diseñar un sistema de muestreo compuesto (representativo de las descargas contaminantes) en puntos estratégicos del proceso industrial (efluentes separados y combinados), y contar con la participación de un laboratorio de control, que permita establecer los valores que serán utilizados para el diseño del sistema de tratamiento, en los siguientes términos (se han elegido los parámetros de calidad físico química básicos):
- Demanda Química de Oxígeno (DQO)
- Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
- Potencial Hidrógeno (pH)
- Sólidos Suspendidos Totales (SST)
- Sólidos Disueltos Totales (SDT)
- Sólidos Sedimentables (SSed)
- Grasas y Aceites (GyA)
- Nitrógeno Total (N)
- Fósforo Total (P)
- Coliformes Fecales (Coli fecal)
- Temperatura (T)
Cuando su concentración es excesiva, se requerirá su remoción a través de sistemas de flotación con aire presurizado. Esta tecnología, conocida como DAF (siglas en inglés de“flotación por aire disuelto”), es onerosa y requiere de controles operacionales efectivos, por parte del personal operador. Su operación, aunque puede hacerse sin químicos, es mucho más efectiva operando con ellos (ya sea coagulantes o polímeros).
Las ventajas y desventajas de cada alternativa, deben ser evaluadas a través de consultoría calificada antes de tomar la decisión final, tomando como base criterios como: costo del equipamiento, costo de reactivos, seguridad y protección contra robos y daños, manejo de los lodos (su cantidad es mucho menor al operar con químicos, sin embargo el costo operacional es mayor), eficiencia sanitaria en remoción de SST, GyA, DBO y DQO, entre otros.
Con base en las cargas hidráulicas y contaminantes, los consultores elegidos por la Gerencia de la industria avícola podrán integrar las cargas másicas (surgen del producto entre los caudales y las cargas contaminantes) y diagnosticar sus variaciones diarias, horarias y estacionales.
Tomando en cuenta lo anterior, y agregando los límites permisibles establecidos en las normas técnicas vigentes en el país, la disponibilidad y topografía del terreno disponible para el sistema de tratamiento, el clima predominante en la zona, la ubicación del sitio designado para tratamiento con respecto de colindantes y núcleos poblacionales, generación potencial de ruidos y olores, así como otros intereses particulares de la Gerencia (incursión en mercados internacionales, sistema de gestión ambiental, aplicación de Producción Más Limpia o incursión en sistema de gestión ambiental, estrategia de mercadeo, valor agregado del producto, etc.), se podrá decidir sobre la opción idónea para el tratamiento de las aguas residuales de la industria avícola.
Se presenta a continuación una serie de criterios y elementos, que serán fundamentales durante el proceso de decisión pertinente, que se complementarán con los resultados de la caracterización y diagnóstico de aguas residuales.
4. TRATAMIENTO PRIMARIO Y SECUNDARIO
4.1 Tratamiento primario
El "tratamiento de agua residual" se refiere a los procesos tecnológicos utilizados para recuperar la calidad del agua hasta niveles aceptables por el medio ambiente, que deberán cumplir con las normas técnicas de calidad establecidas en la reglamentación vigente en cada país. La planta de tratamiento consiste en la infraestructura civil y electromecánica, diseñada y construida especialmente para lograr que dicho tratamiento sea óptimo.
Para efectos de nuestra realidad centroamericana, podemos simplificar y decir que existen dos niveles de tratamiento de agua residual, que deben operarse adecuadamente en serie, para constituir un sistema de tratamiento integral: el tratamiento primario (también conocido como “tratamiento físico-químico”) seguido del tratamiento secundario (también conocido como “tratamiento biológico”). El tratamiento primario está destinado a acondicionar el agua residual, previo a su ingreso al tratamiento secundario (biológico), de ahí sus nombres:
TRATAMIENTO PRIMARIO - TRATAMIENTO SECUNDARIO
El tratamiento primario está constituido por diferentes unidades o etapas secuenciales, que utilizan procesos físicos y/o químicos, tales como el cribado, la sedimentación (simple o con químicos: coagulantes o polímeros), la filtración y la flotación (simple o con químicos: coagulantes o polímeros). Debido a su naturaleza y desde el punto de vista de remoción de contaminantes, el tratamiento primario actúa, fundamentalmente, sobre los sólidos suspendidos presentes en el agua residual, no así sobre los sólidos disueltos. Estos sólidos orgánicos contaminantes, al ser microscópicos, solo pueden ser removidos a través de acción biológica: tratamiento secundario.
Para nuestro caso, tomando como base la caracterización típica de las aguas residuales de la industria avícola (matadero), se requiere de un eficiente tratamiento primario que permita: eliminar los sólidos groseros, homogenizar la calidad del agua residual y ecualizar el flujo hidráulico (amortiguar las variaciones horarias de calidad y de cantidad), acondicionar químicamente el desecho para estabilizar el pH y garantizar los nutrientes esenciales para el proceso biológico, y remover los excesos de sólidos suspendidos, particularmente las Grasas y Aceites en suspensión y los sólidos sedimentables.
El siguiente esquema muestra un arreglo típico de tratamiento primario para aguas residuales de la industria avícola:
Durante la conferencia, el consultor presentará proyectos reales de tratamiento primario, en que se mostrarán las diferentes variantes tecnológicas disponibles en nuestro medio para cada una de estas etapas del tratamiento primario. Así por ejemplo, se compararán los sistemas de rejillas convencionales con tamices de tipo hidrostático (columpio) o rotatorios (tambores).
Se presentará además opciones de separadores de sólidos, entre ellos, sedimentadotes primarios rectangulares y circulares, así como el sistema patentado conocido como DAF (Dissolved Air Flotation), junto con sus ventajas y desventajas comparativas desde el punto de vista técnico y económico.
NOTA: El tanque de homogenización y ecualización no forma parte del tratamiento primario, propiamente dicho, ya que no se refiere a ningún proceso físico químico de remoción de contaminantes. Se utiliza para amortiguar las variaciones de caudal y de calidad de las aguas residuales generadas en la industria, y su ubicación tal y como se ha mostrado, es la forma típica (no es la única posible) dentro de un sistema de tratamiento de aguas de esta naturaleza.
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| TAMICES ROTATORIOS PROCESADORA DE FRUTAS 1800 m3/d ASESORÍA: MANUEL E. LOPEZ M./EASA CONSULTORES |
Asimismo, se explicarán las opciones disponibles para el manejo sanitario de sólidos groseros recuperados de las cajas de rejas o tamices, y para el tratamiento y disposición final de los lodos (sedimentables y flotantes) recuperados del separador de sólidos y flotantes.
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| SEPARACIÓN DE SÓLIDOS: TAMIZ HIDROSTÁTICO PARA BENEFICIO DE CAFÉ – ASESORÍA: MANUEL E. LÓPEZ M. |
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| DAF PATENTADO EN PROCESADORA DE PESCADO ASESORÍA: MANUEL E. LOPEZ M./EASA CONSULTORES |
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| SEDIMENTADOR PRIMARIO ANTES DE LAGUNA AERADA AL FONDO: SEDIMENTADORES SECUNDARIOS – DISEÑO: M. LOPEZ |
El tratamiento secundario, también conocido como “tratamiento biológico”, consiste en la estabilización de la materia orgánica contaminante, aún presente en el agua residual después del tratamiento primario, mediante la acción de una biomasa activa, especialmente bacterias. Actúa a través de procesos de absorción biológica, mecanismo que efectúan las bacterias a través de su membrana citoplásmica, con reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas, que permiten utilizar los sólidos disueltos como fuente de energía, de tal manera que una vez aprovechados, son transformados en sólidos mineralizados o estabilizados.
Por lo tanto, las bacterias se alimentan a través de su membrana citoplásmica, utilizando la fracción soluble (disuelta) de la materia orgánica. La anterior idea explica porqué es necesario incorporar los tratamientos biológicos para la depuración de las aguas residuales con contaminantes orgánicos (tal es el caso de la industria avícola), ya que los tratamientos primarios tales como cribado, sedimentación y flotación únicamente permiten la remoción de sustancias contaminantes en suspensión, las cuales por lo general representan la menor fracción contaminante de las aguas residuales, en comparación con la fracción soluble.
De acuerdo con la forma en que utilizan el oxígeno para la realización de sus funciones metabólicas, las bacterias pueden ser aeróbicas, anaeróbicas y facultativas, nombres de gran importancia en ingeniería sanitaria, dado que las tecnologías de tratamiento secundario reciben su nombre en función del tipo de bacterias presentes en el proceso biológico.
Las primeras (aeróbicas) son aquellas que requieren del oxígeno en forma molecular para poder respirar, esto es, oxígeno disuelto en el agua. Las segundas, anaeróbicas, no requieren de oxígeno molecular disuelto en el agua, sino que lo toman directamente de la materia orgánica que utilizan como fuente de alimentación.
Finalmente las terceras, facultativas, pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno disuelto, comportándose como aeróbicas o anaeróbicas según sea la situación en que estén inmersas.
En materia de tratamientos de aguas, es posible dividir los procesos biológicos en dos grupos: depuración aeróbica y depuración anaeróbica de aguas residuales.
El siguiente esquema muestra un arreglo típico de tratamiento completo de aguas residuales para una industria avícola, incluyendo un tratamiento secundario aeróbico (lodos activados) - ver detalles de este proceso en capítulo 6 de esta ponencia.
5. TRATAMIENTO BIOLÓGICO ANAERÓBICO
5.1 El metabolismo anaeróbico
Para poder discutir algunas generalidades sobre tecnologías de tratamiento anaeróbico, resulta necesario indicar primero la forma en que las bacterias anaeróbicas realizan sus funciones orgánicas. El proceso de biodegradación anaeróbica se efectúa en tres etapas a saber:
En la I Etapa la materia orgánica compleja, tal como carbohidratos, proteínas y grasas , es transformada por un grupo de microorganismos facultativos en materiales orgánicos más simples, los cuales son solubilizados en el agua mediante acción de enzimas producidas por las células bacterianas.
Durante la II Etapa el material simplificado y solubilizado en la primera es utilizado por un grupo especial de bacterias denominadas "acidogénicas". Estas bacterias lo fermentan y convierten en ácidos orgánicos como acético, propiónico, oleico y alcoholes simples, dióxido de carbono, nitrógeno e hidrógeno, sustancias que en su mayoría
producen problemas de malos olores.
En la III Etapa aparece otro grupo de bacterias denominadas "metanogénicas", las cuales utilizan los ácidos y alcoholes producidos por el grupo acidogénico, transformándolos en metano y dióxido de carbono, fundamentalmente, con reducción notable en la producción de olores molestos.
El aspecto vital que se debe comprender en este tema, es que las bacterias productoras de metano (metanogénicas) son las responsables de la estabilización o degradación de la materia orgánica, por lo que no se lograría eficiencia alguna en una planta detratamiento anaeróbica a menos que hayan aparecido en cantidad y calidad adecuadas, las
bacterias metanogénicas.
Por lo tanto, la eficiencia sanitaria en remoción de carga orgánica por parte del sistema biológico, dependerá de la adecuada operación de la fase metanogénica en el reactor anaeróbico. Esta condición se cumplirá a su vez, si se ha presentado una adecuada actividad acidogénica previa.
A lo anterior debe agregarse, que las bacterias metanogénicas son de lento crecimiento y muy susceptibles a las variaciones bruscas de temperatura, no así las acidogénicas. Esta es una de las razones por las cuales es fundamental controlar la temperatura en los reactores anaeróbicos, de lo contrario se producirá exceso de ácido con deterioro de la eficiencia sanitaria.
Esta situación explica también, que durante el arranque y operación inicial del tratamiento anaeróbico, la producción de olores molestos será mayor, acompañado por una acidificación del agua (descenso del pH) y una pobre eficiencia en remoción de contaminación orgánica.
Para efectos de reducir las variaciones normales de temperatura en el agua de la planta de tratamiento, amén de minimizar la producción de olores y aumentar la eficiencia del sistema, se recomienda tapar los tanques reactores lo más hermético posible, con sistemas removibles únicamente para mantenimiento.
Las tecnologías patentadas, dependiendo del clima ambiental en que operarán los reactores anaeróbicos, utilizan sistemas de calentamiento del agua y de control de temperatura dentro de dichos reactores, aprovechando el biogás como fuente energética. Con esto se logra incrementar significativamente la eficiencia sanitaria de los mismos, comparativamente con reactores sin calentamiento ni control de temperatura.
Debe decirse en este punto que el metabolismo anaeróbico se torna más eficiente conforme aumenta la temperatura, llegándose incluso a valores óptimos del orden de 57 °C, en la fase denominada termofílica. Debido a la dificultad práctica de operar en este rango de temperatura, las tecnologías patentadas prefieren optar por el rango mesofílico (cercano a 37 ºC).
Estas condiciones no son usuales en nuestro medio centroamericano, por lo que se operan los sistemas anaeróbicos de tratamiento en fases de menor eficiencia, con temperaturas que oscilarán en los rangos de operación entre sicrofílica y mesofílica, aprovechando únicamente la temperatura ambiente (en nuestro medio es cálida).
5.2 Ventajas del Tratamiento Anaeróbico
El consultor iniciará diciendo que, en términos generales, todas las tecnologías anaeróbicas disponibles son apropiadas para nuestro medio, siempre y cuando se tomen las previsiones pertinentes para efectos del control de olores.
Las grandes ventajas del tratamiento anaeróbico con respecto a la modalidad aeróbica son las siguientes:
Como la estabilización anaeróbica proporciona a las células poca energía, su crecimiento es relativamente bajo. De esta forma la producción de lodos es mucho menor que en el caso aeróbico, con mayor sencillez en su operación y mantenimiento.La principal desventaja del sistema anaeróbico, aparte de ser menos eficiente que el sistema aeróbico, estriba en la producción de malos olores, especialmente en épocas de cambios bruscos en la temperatura (obviamente, en caso que se trate de reactores sin control de temperatura).
Los requerimientos de nutrientes en el proceso anaeróbico son mucho menores que en el aeróbico, permitiéndose una mayor cobertura de aplicabilidad práctica de estos sistemas sobre el segundo.
Como no es necesaria la aeración, los costos operativos son mucho menores así como los de mantenimiento. Con un adecuado aprovechamiento de la topografía y carga hidráulica disponible es posible contar con tratamiento anaeróbicos compactos, sin requerimientos de bombeo y adecuada eficiencia en remoción de contaminantes orgánicos, especialmente en aguas residuales de concentración orgánica elevada.
El gas metano producido en condiciones de equilibrio del proceso puede ser reutilizado como fuente energética. Es aquí donde surge el concepto de "biodigestores para aprovechamiento energético".
Esta condición puede ser controlable, parcial o totalmente, dependiendo del diseño e implantación adecuada de sistemas de cerramiento de tanques, control operacional del pH, quemado del biogás de exceso y alejamiento adecuado de la planta de tratamiento con relación a núcleos poblacionales.
5.3 Tecnologías anaeróbicas aplicables
Para efectos de esta conferencia, se puede clasificar las tecnologías anaeróbicas de tratamiento de aguas residuales, de la siguiente manera:
◊ Lagunas de Estabilización
◊ Filtros Anaeróbicos de Flujo Descendente
◊ Reactores Anaeróbicos de Flujo Ascendente
5.3.1 Lagunas de Estabilización
Se puede decir que las lagunas de estabilización son estanques construidos directamente sobre el terreno, en los cuales se hace permanecer el agua residual durante largos períodos de tiempo, de tal forma que las bacterias presentes en el líquido degraden o mineralicen los desechos orgánicos.
Para evitar contaminación de mantos acuíferos, deberá garantizarse su impermeabilización a nivel del fondo y taludes, aplicando capas de material arcilloso, o mediante coberturas adecuadas para tales fines.
Las lagunas de estabilización pueden ser de dos tipos: Anaeróbicas, y Facultativas (existen lagunas aeróbicas que son utilizadas para producción de algas, las cuales no serán discutidas en esta ponencia).
a) Lagunas anaeróbicas
La laguna anaeróbica es pequeña y profunda, comparativamente con una laguna facultativa, y recibe fuertes cargas de materia orgánica contaminante por unidad de volumen.
La profundidad grande, que oscila entre 2.00 y 4.50 m se requiere para reducir las variaciones de temperatura con sus efectos negativos en el tratamiento antes discutidos, así como para garantizar que la zona de transferencia de oxígeno atmosférico será despreciable, comparativamente con la profundidad total.
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| LAGUNA ANAERÓBICA TRATAMIENTO AGUAS MIELES DE CAFÉ DISEÑO: MANUEL E. LOPEZ M./EASA CONSULTORES |
La superficie del estanque se cubrirá rápidamente de una nata de apariencia desagradable, la cual producirá olores más molestos que lo usual, durante el primer período de operación.
Es por ello que algunos autores recomiendan su eliminación tan pronto como se forme, en tanto que otros defienden mantenerla para lograr un sello natural que ocasionará un efecto de "invernadero" con beneficios posteriores en cuanto a aumento de eficiencia y disminución de olores.
El color típico de estos estanques va desde el gris, gris verdoso, hasta oscuro (negruzco).
b) Lagunas facultativas
En cuanto a las lagunas facultativas, este tipo de tratamiento combina la actividad anaeróbica con la aeróbica, razón por la cual no puede catalogarse exactamente con un sistema anaeróbico. Las lagunas facultativas son mucho mayores que las anaeróbicas y de menor profundidad.
La carga orgánica aplicada por unidad de área y volumen del estanque es sensiblemente menor que en el caso de la modalidad anaeróbica, con lo cual se logra establecer una simbiosis entre dos tipos de microorganismos: algas - bacterias.
Las lagunas facultativas tienen una profundidad que oscila entre 1.00 y 2.00 m, en la cual se formarán tres zonas bien diferenciadas: Aeróbica, Facultativa, y Anaeróbica. La zona aeróbica corresponderá a unos 25 cm medidos a partir de la superficie del agua, zona llamada eufótica debido a la penetración de la luz solar, la cual producirá enormes cantidades de oxígeno disuelto en el agua, debido a la acción de algas
fotosintéticas que se encuentran flotando en el agua.
Es debido a esta razón que la laguna facultativa se verá siempre de coloración verde. Esta pequeña capa evitará que los gases producidos en el fondo del estanque produzcan malos olores, ya que serán filtrados y oxigenados antes de salir a la atmósfera.
La zona anaeróbica corresponderá al fondo del estanque, el cual estará constituido por lodos sedimentados en proceso de descomposición anaeróbica, zona en la que ocurrirá una buena parte de la estabilización biológica. Los gases anaeróbicos ascenderán a través de todo el estanque hacia la atmósfera, arrastrando material flotante y formando capas de algas sobre la superficie. Esta capa sí deberá removerse periódicamente, para evitar malos olores durante su descomposición.
El tamaño de la zona anaeróbica será normalmente de unos pocos centímetros de espesor, y dependerá de la cantidad de lodos presentes, los cuales crecerán lentamente a través de los años. De esta forma, será necesario el dragado de los lodos de fondo cuando se aprecie disminución en la eficiencia del estanque, situación que ocurrirá luego de muchos años de operación.
La zona facultativa será la de mayor espesor en el estanque, razón por la cual se ha dado el nombre al mismo. Está caracterizada por la presencia de bacterias que pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno disuelto, las cuales estabilizan la materia orgánica con producción de dióxido de carbono. Este compuesto a su vez, es utilizado como materia prima por las algas de la zona eufótica para producir oxígeno. Debido a la presencia de la zona eufórica, la coloración típica del estanque es verde (claro hasta oscuro, dependiendo de la carga orgánica aplicada).
c) Sistema australiano
Una modalidad de tratamiento de gran eficiencia en nuestro medio, que será discutida por el consultor en la conferencia, se denomina "sistema australiano", consistente en una laguna anaeróbica seguida de una facultativa en serie.
Este arreglo presenta la gran ventaja de su altísima eficiencia sanitaria, al mismo tiempo que se logra un sistema relativamente compacto, dentro de las opciones lagunares. La presencia de la laguna anaeróbica antes de la facultativa, ocasiona importantes reducciones en el tamaño requerido por la segunda. Además de ello, tomando las previsiones técnicas del caso, el sistema puede ser transformado en un futuro (ante eventuales incrementos en las cargas orgánicas afluentes) en una laguna aerada, seguida de laguna facultativa.
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| SISTEMA AUSTRALIANO PARA URB. DE 2000 VIVIENDAS DISEÑO: MANUEL E. LOPEZ M. – EASA CONSULTORES S.A. |
Este sistema de tratamiento es idéntico al Filtro Biológico aeróbico descrito más adelante, con la diferencia que no existe fondo falso ni sistema de aeración en la parte inferior. La alimentación del flujo puede ser continua, y se recomienda diseñar estructuras hidráulicas para garantizar que el lecho filtrante opere ahogado siempre.
Cualquier traza de oxígeno disuelto en el agua será eliminada por la acción biológica bacteriana (conocido como Demanda Bioquímica de Oxígeno -DBO-).
Al igual que en todos los procesos anaeróbicos, se pueden presentar problemas intermitentes de olores, que pueden controlarse parcialmente con cerramiento de estructuras y ubicación adecuada de la planta de tratamiento.
5.3.3 Reactores Anaeróbicos de Flujo Ascendente
Los reactores anaeróbicos de flujo ascendente (RAFA) corresponden a una reciente tecnología derivada de estudios efectuados en Holanda a partir del año 1980, estudios que se continuaron posteriormente en Brasil, Colombia y otros países. Hoy es una tecnología altamente difundida en todo el mundo, incluyendo el desarrollo de tecnologías patentadas (proceso UASB).
En general el tratamiento mediante RAFAs consiste en tanques de gran volumen, alimentados con el agua residual desde su sección inferior, recolectándose el agua tratada en su sección superior. Durante el período de retención hidráulica del reactor, el material contaminante es estabilizado parcialmente por bacterias anaeróbicas, con la consecuente producción de biogás.
Se han propuesto distintas versiones de RAFAs, destacando entre ellas las siguientes:
manto de lodos (UASB),lecho expandido, lecho fluidizado, y filtro anaeróbico (FAFA).
Considerando que los resultados experimentales y prácticos, se han orientado especialmente al desarrollo e investigación de dos de estas variantes, serán comentadas a continuación: proceso de manto de lodos (UASB), y filtro anaeróbico de flujo ascendente (FAFA).
a) El Reactor de Manto de Lodos (UASB)
El proceso conocido como UASB en honor a las siglas originalmente difundidas en inglés (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), consiste en un tanque que deberá “llenarse” de un material granular biológico que actuará a manera de un manto de lodos. Dado que la alimentación del agua residual es por la sección inferior y el flujo es ascendente, dicho manto de lodos se expande debido a la acción del flujo hidráulico ascendente, que operará como un “filtro biológico”.
El material granular debe poseer características de peso y granulometría, tal que no sea arrastrado hacia fuera del tanque (lavado de biomasa).
Este tipo de unidades es muy delicado durante el proceso de arranque, especialmente durante la fase de crecimiento de la biomasa anaeróbica activa (manto de lodos granulares).
Para tales fines, se deberá alimentar el reactor con importantes cantidades de lodos anaeróbicos antes de la puesta en operación del proceso y cultivar dicha semilla biológica en forma controlada, hasta alcanzar la cantidad y calidad requerida.
La idea consiste en permitir la maduración de estos lodos para lograr una transformación paulatina de los desechos en pequeños gránulos anaeróbicos activados, de alto poder estabilizador. Cuidado especial deberá tenerse durante el arranque del sistema para lograr la maduración de lodos sin ocasionar su lavado, por lo que se deberá operar la planta de tratamiento con caudales menores a los de diseño. Por otro lado, se deberá controlar periódicamente el crecimiento del lodo y la producción de biogás, como indicadores de la actividad biológica.
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| GRANULOS ACTIVADOS DEL MANTO DE LODOS - UASB EN SUIZA |
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| REACTORES UASB PATENTADOS INDUSTRIA LÁCTEA ENSUIZA |
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| REACTORES UASB EN PROCESADORA DE FRUTAS - ALEMANIA |
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| AGUA TRATADA REACTOR UASB – INDUSTRIA DE JUGOS, ALEMANIA |
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| REACTOR UASB EN INDUSTRIA LÁCTEA EN ALEMANIA |
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| REACTOR UASB PATENTADO EN CANADÁ – QUEMA DE BIOGAS |
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| TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LIXIVIADOS EN ALEMANIA |
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| DISPOSICIÓN DE LODOS CENTRIFUGADOS - ALEMANIA |
En cuanto al filtro anaeróbico de flujo ascendente (FAFA), su operación hidráulica es similar al proceso UASB, con la diferencia que el tanque es totalmente empacado, similar a un filtro biológico aeróbico.
El material de empaque debe tener idealmente alta porosidad, de tal forma que se aumente la superficie específica de contacto entre el material orgánico a estabilizar y el material filtrante, idéntico al caso aeróbico. Este tema, según algunos estudios recientes, pareciera contradictorio en el sentido que la porosidad no mejora la eficiencia sanitaria, por lo que el consultor prefiere recomendar los materiales porosos.
Resulta evidente aquí el cuidado que se debe tener de incorporar tratamientos preliminares que eliminen material suspendido del agua, con miras a evitar tempranas obstrucciones del filtro anaeróbico.
Típicamente, la eficiencia en remoción de materia orgánica (en términos de DBO y DQO) para reactores UASB y FAFA, oscila entre el 60 y el 80%. Para reactores UASB patentados, que operan en fase mesofílica a través del calentamiento del agua con aprovechamiento del biogás, puede oscilar hasta el 90%. Esta limitante deberá tomarse en cuenta para el caso de aguas residuales de elevada concentración orgánica, en cuyo caso es usual contar con un tratamiento aeróbico posterior, para mejorar la calidad del vertido (esto dependerá también, de los límites permisibles del vertido en la reglamentación correspondiente a cada país).
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| FILTRO ANAERÓBICO (FAFA) SEGUIDO DE LAGUNA FACULTATIVA DISEÑO: MANUEL E. LOPEZ M. / EASA CONSULTORES S.A. |
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| REACTOR HÍBRIDO TIPO EASA EN FÁBRICA DE LEVADURAS DISEÑO: MANUEL E. LOPEZ M. / EASA CONSULTORES |
Las bacterias aeróbicas son aquellas que utilizan el oxígeno molecular disuelto presente en el agua, como insumo para la reacción bioquímica de oxidación, a través de la cual se logra estabilizar el sustrato (materia orgánica contaminante). En el caso de los sistemas aeróbicos y para efectos de un desglose simplificado de los tipos de plantas de tratamiento aplicables a nuestro medio, el consultor utilizará según su criterio técnico la siguiente clasificación:
◊ Procesos de Lodos Activados
◊ Lagunas aeradas
◊ Procesos de Filtración Biológica
6.1 Procesos de Lodos Activados
Consisten básicamente en tanques sometidos a aeración electromecánica, en los cuales se pone en contacto el agua residual con una masa bacteriana altamente concentrada (biomasa), la cual es responsables de la estabilización de la materia orgánica contaminante.
Los procesos de lodos activados deben su nombre a la apariencia de “lodo” o “fango” del líquido en el tanque de aeración, el cual es en realidad una mezcla de biomasa + sustrato
(materia orgánica contaminante).
Los equipos utilizados para la introducción del oxígeno disuelto al agua varían dependiendo de la modalidad del proceso, tema que no será discutido en la presente ponencia dado su carácter general informativo.
Precisamente en función de las condiciones operativas de estos equipos, de las dimensiones y geometría utilizada en los tanques de aeración, así como del diseño del flujo hidráulico, existen modalidades operacionales del proceso de lodos activados, tales como: mezcla completa, convencional, alta tasa, aeración graduada, aeración escalonada, etc.
En cualquiera de los casos, la eficiencia en remoción de materia orgánica en el tanque de aeración, obedece a una adecuada dosis de oxígeno disuelto en el agua, sumada a una adecuada concentración de biomasa activa (lodo activado) y al establecimiento de un equilibrio biológico, entre la cantidad de materia orgánica que ingresa al tanque y la cantidad de biomasa activa.
Para evitar que la biomasa activa sea evacuada del reactor aeróbico debido al flujo hidráulico efluente (para evitar un “lavado” de biomasa”, se utiliza un tanque sedimentador posterior al tanque de aeración, el cual permite la decantación de las bacterias que son evacuadas por la acción del caudal de agua residual, para su posterior devolución al tanque de aeración a través de un sistema de bombeo, denominado: “recirculación de lodos”.
Algunas patentes aprovechan la energía del sistema de aeración para efectuar la recirculación, tema que no será incluido en la presente ponencia, dado su carácter general.
Dado que el tanque de aeración es el corazón del proceso de tratamiento se denomina "reactor biológico", ya que en él se lleva a cabo la reacción bioquímica que permite la mineralización de la materia orgánica contaminante. El decantador final cumple una función adicional a la de recuperar la biomasa: clarificar el agua antes de su descarga en el cuerpo de agua receptor.
El siguiente esquema explica la operación típica del proceso aeróbico de lodos activados:
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| REACTOR AERÓBICO - PROYECTO TURÍSTICO 5000 Pers/d DISEÑO: MANUEL E. LÓPEZ M. / EASA CONSULTORES S.A. |
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| SEDIM. SECUNDARIOS - PROYECTO TURÍSTICO 5000 pers/d DISEÑO: MANUEL E. LÓPEZ M. / EASA CONSULTORES S.A. |
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| CALIDAD DEL AGUA TRATADA ANTES DE DESINFECCIÓN DISEÑO: MANUEL E. LÓPEZ M. / EASA CONSULTORES S.A. |
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| REACTOR AERÓBICO MODALIDAD SBR – BOSTON, USA |
Este sistema es consiste en una modalidad del proceso de lodos activados, basado en oxidación total de la materia orgánica, también conocido como aeración extendida. En esta modalidad, se utilizan tanques de aeración mucho mayores y no es estrictamente necesaria la recirculación de lodos, dado que es posible diseñar el tiempo de retención hidráulica tan grande como el tiempo de retención celular. De esta manera, las células que son evacuadas del tanque por arrastre hidráulico son repuestas por crecimiento biológico dentro del reactor, con lo que se logra mantener el equilibrio necesario en la biomasa activa.
Los procesos de oxidación total presentan la ventaja, con relación a los procesos convencionales, de que su eficiencia sanitaria es mucho mayor, superando el 99% de remoción de materia orgánica biodegradable. Debido a esta enorme eficiencia sanitaria, es factible prescindir de sedimentación primaria, decisión que implica una ventaja, dado que el manejo y tratamiento de lodos primarios es uno de los mayores problemas que se presentan en las instalaciones de tratamiento en nuestro medio. La desventaja es que se requiere un mayor volumen en el tanque de aeración, así como mayores requerimientos de oxígeno, impactando en los costos de inversión, operación y mantenimiento.
Normalmente consisten en grandes lagunas, con aeradores superficiales montados sobre flotadores, asidos a cables de acero para su acceso y mantenimiento. Otras variantes de aeración mecánica también son utilizadas, tal y como se explicará en la capacitación.
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| LAGUNA AERADA PARA PROCESADORA DE FRUTAS - 1800 m3/d DISEÑO: MANUEL E. LOPEZ M. / EASA CONSULTORES S.A. |
Los sistemas de oxidación total presentan la ventaja adicional que el crecimiento de lodos es mucho menor que en los sistemas convencionales, dado que operan en la fase de respiración endógena, con factores de carga muy bajos.
6.3 Procesos de Filtración Biológica
Los llamados "biofiltros" o "filtros percoladores" aeróbicos consisten en lechos de material granular filtrante, el cual permita la estabilización del residuo orgánico por contacto directo con la superficie del mismo. Es por ello que se recomienda la utilización de materiales de empaque porosos, con alta superficie específica (area por unidad de volumen).
Los biofiltros utilizados en los países desarrollados son patentados, con equipos de distribución intermitente del agua residual mediante tuberías giratorias montadas sobre un eje con mínimo rozamiento. La velocidad de rotación la imprime la cantidad de movimiento generada por la salida del agua en los orificios de las tuberías.
En nuestro medio es poco utilizada esta tecnología, prefiriéndose los sistemas aeróbicos de lodos activados, o los sistemas anaeróbicos antes mencionados. En algunos casos, se utilizan filtros biológicos con lechos de piedra, grava, escoria volcánica o similar, de alimentación intermitente, ya sea mediante bombeo programado, o mediante incorporación de sifones de operación hidráulica. Para lograr la condición aeróbica se debe dejar paso al aire a través del lecho filtrante desde abajo, por lo que se debe utilizar un sistema de
fondo falso que soporte el material de relleno.
La remoción de materia orgánica se efectúa en una capa biológica adherida al material filtrante, que contiene bacterias anaeróbicas en el fondo y bacterias aeróbicas en la superficie. Esta capa, conocida como “zooglea”, se desprende períodicamente del filtra, razón por la que es necesario incorporar un sedimentador posterior al biofiltro. La utilización de recirculación del agua a la salida del sedimentador es a veces conveniente, para reducir la posibilidad de formación de moscas, al mismo tiempo que se incremente la eficiencia. Estos sistemas son normalmente conocidos como “alta tasa”.
7. ¿TECNOLOGÍA IDONEA PARA MI EMPRESA?
Hemos visto en la ponencia que existen dos grandes grupos de tecnologías de tratamiento biológico de aguas residuales: aeróbicas y anaeróbicas. También hemos visto que, salvo excepciones muy calificadas, todas las plantas de tratamiento de aguas residuales deben contar con un sistema de tratamiento primario, que precede al tratamiento biológico (secundario).
Para el caso de la industria avícola, es total y absolutamente necesario, contar con un adecuado tratamiento primario de aguas residuales, de cuya correcta planificación, diseño y operación, dependerá el éxito del tratamiento biológico, y por ende, el cumplimiento de los requerimientos legales y ambientales.
Todas las tecnologías presentadas en esta ponencia, así como otras que no han sido incorporadas por razones del alcance general de la misma, son buenas y adecuadas, dependiendo de las condiciones particulares que se presenten en cada caso específico. No existe ningún sistema “mejor” que otro, todos son aplicables con éxito, dependiendo de la situación.
Todo vendedor de equipos y de plantas patentadas asegura que su tecnología es la mejor.
Esto es obvio: el principal interés es la venta de su servicio, y en muchos casos, crear dependencia en los compradores, de tal manera que se mantenga una posterior relación comercial a través de asesorías de servicio, suministro de repuestos, reactivos, etc. Por supuesto que la anterior afirmación depende también, de la ética del vendedor.
Sin embargo, el consultor puede asegurar que la tecnología idónea para cada empresa, es propia de cada empresa. Además de ello, no existen dos empresas iguales (aunque ambas sean avícolas). La mejor recomendación es contar con un consultor debidamente competente en la materia, que pueda asesorar a la Gerencia de la empresa en forma objetiva y clara, presentando las ventajas y desventajas comparativas de las diferentes tecnologías y permitiendo, que la decisión final sea tomada por el interesado: la Gerencia.
Las variables a considerar para la toma de decisión, pueden incluir pero no se limitan, a:
- Costos de inversión
- Costos de Operación y Mantenimiento
- Consumo de reactivos
- Requerimientos de equipos electromecánicos
- Requerimientos de laboratorio (interno, externo)
- Número y nivel de calificación de operadores requeridos
- Producción de problemas potenciales (olores, ruidos, mantenimiento)
- Requerimientos de terreno (área, topografía)
- Flexibilidad del sistema, posibilidad de ampliaciones futuras
- Eficiencia sanitaria, calidad del vertido
- Estética del sistema
- Garantías del diseñador, fabricante o suplidor de equipos
- Otros intereses de la Gerencia (no legales ni ambientales)
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| IZQ: EL CONSULTOR JUNTO A DAF PATENTADO EN INDUSTRIA EN ALEMANIA. DER: EN OTRA INDUSTRIA SIMILAR, ES MÁS CONVENIENTE UN SEDIMENTADOR |
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| IZQ: TECNICO EXPLICA A GERENTE LAS BONDADES DE UNA CENTRÍFUGA DE LODOS DER: EN OTRO PROYECTO, UN LECHO DE SECADO PODRÍA SER MÁS CONVENIENTE |
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| IZQ: MEDIDOR DE CAUDAL ELECTRÓNICO EN INDUSTRIA EN SUIZA DER: MEDIDOR SIMPLE (VERTEDOR) EN INDUSTRIA EN COSTA RICA |
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| IZQ: SEDIMENTADOR PATENTADO, CON RECOLECTOR MECÁNICO DE LODOS DER: SEDIMENTADOR SIMPLE, LODOS ACCIONADOS POR CARGA HIDRÁULICA |
