EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 1

EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 1

EVALUACIÓN USO DE DIFERENTES NIVELES DE INYECCIÓN DE AIRE EN UN

REACTOR DE LODOS ACTIVADOS CON PRESIÓN A ESCALA PILOTO

ANDRÉS FELIPE AYALA CARDONA

JORGE ARIEL MEJÍA MESA

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

VILLAVICENCIO

2019


EVALUACIÓN USO DE DIFERENTES NIVELES DE INYECCIÓN DE AIRE EN UN

REACTOR DE LODOS ACTIVADOS CON PRESIÓN A ESCALA PILOTO

ANDRÉS FELIPE AYALA CARDONA

JORGE ARIEL MEJÍA MESA

Trabajo de grado como requisito para optar al título de Ingeniero Ambiental

Asesor:

HENRY CONTRERAS LEÓN

Ingeniero Ambiental Esp. Ingeniería química

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

VILLAVICENCIO

2019


Autoridades Académicas

P. José Gabriel MESA ANGULO, O. P.

Rector General

P. Eduardo GONZÁLEZ GIL, O. P.

Vicerrector Académico General

P. José Arturo RESTREPO RESTREPO O.P.

Rector Sede Villavicencio

P. Rodrigo GARCÍA JARA, O.P.

Vicerrector Académico Sede Villavicencio

Adm. JULIETH ANDREA SIERRA TOBÓN

Secretaria de División Sede Villavicencio

YÉSICA NATALIA MOSQUERA BELTRÁN

Decana Facultad de Ingeniería Ambiental


Nota de aceptación

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_______________________________

_____________________________

YÉSICA NATALIA MOSQUERA BELTRÁN

Decana de Facultad de Ingeniería Ambiental

_____________________________

HENRY CONTRERAS LEÓN

Director Trabajo de Grado

____________________________

CHRISTIAN JOSÉ ROJAS REINA

Jurado

____________________________

MARIA ALEXANDRA MENDEZ MUÑOZ

Jurado

Villavicencio, junio de 2019.


A Dios por permitirme el esfuerzo, la sabiduría hasta lograr dicho propósito personal y

profesional. A mi familia por su apoyo y colaboración.

Andrés Felipe Ayala Cardona.

Al todo poderoso por ser el guía dinamizador de vida, haberme concedido culminar este proceso

académico con éxito. A mi familia por su estímulo y compresión, ellos son lo más importante en

mi vida.

Jorge Ariel Mejía Mesa.


Agradecimientos

Primeramente, agradecemos a la Universidad Santo Tomas por habernos aceptado ser parte de

ella y abierto las puertas de su seno científico para poder estudiar esta carrera maravillosa, así

como también a los diferentes docentes que nos brindaron sus conocimientos y su apoyo para

seguir adelante día a día.

Agradecemos también a nuestro asesor de tesis el Ing. Henry Contreras León por haber

brindado la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento científico, al Doctor

Christian José Rojas Reina por toda la ayuda prestada y tutorías adicionales las cuales fueron

de gran importancia para el desarrollo de la investigación, a todo el personal de la universidad

como el grupo de laboratorio y planta física, por su ayuda incondicional en momentos cruciales

para el desarrollo de esta tesis, también agradecemos a nuestra decana la Ing. Yésica Natalia

Mosquera Beltrán.

Agradecemos a la Doctora Carolina Baretta por su ayuda en la realización de este trabajo.

Y para finalizar, agradecemos a nuestros padres por el apoyo brindado desde el inicio de la

universidad, en los momentos grises nos dieron aliento a que siguiéramos adelante.


Contenido

Págs.

Resumen ........................................................................................................................................ 11

Abstract ......................................................................................................................................... 12

Introducción .................................................................................................................................. 13

1. Planteamiento del problema ..................................................................................................... 14

1.1 Formulación en torno al problema ...................................................................................... 15

2. Objetivos .................................................................................................................................. 16

2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 16

2.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 16

3. Justificación ............................................................................................................................. 17

4. Alcance del proyecto................................................................................................................ 19

5. Antecedentes ............................................................................................................................. 20

6. Marco de referencia ................................................................................................................. 22

6.1 Marco teórico ...................................................................................................................... 22

6.2 Marco Conceptual ............................................................................................................... 25

6.3 Marco legal ......................................................................................................................... 26

7. Metodología ............................................................................................................................. 27

7.1 Enfoque investigativo ......................................................................................................... 27

7.2 Tipo de investigación .......................................................................................................... 27

7.3 Método de estudio ............................................................................................................... 28

7.4 Área de estudio ................................................................................................................... 28

7.5 Temporalidad del estudio .................................................................................................... 29

8. Resultados y discusión .............................................................................................................. 33

8.1 Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e

inyección de aire ....................................................................................................................... 33

8.1.1 Condiciones operacionales. .......................................................................................... 33

Conclusiones ................................................................................................................................. 42

Recomendaciones ......................................................................................................................... 44

Referencias bibliográficas ............................................................................................................. 45


Lista de figuras

Págs.

Figura 1. Diagrama del balance energético en una Empresa Depuradora de Agua Residual

(EDAR).. ....................................................................................................................................... 18

Figura 2. Oxigeno soluble en agua en 4 modelos diferentes a 533 K. .......................................... 20

Figura 3. Crecimiento celular. La curva X representa la concentración de biomasa y la curva S, la

concentración de materia orgánica.. .............................................................................................. 25

Figura 4. Esquema representativo del bioreactor de lodos activados. .......................................... 28

Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología. ........................................................................... 29

Figura 6. Sistema y puntos de muestreo., ..................................................................................... 35

Figura 7. Porcentajes de remoción DQO con los diferentes tratamientos. ................................... 39

Figura 8. Porcentajes de remoción DBO con los diferentes tratamientos. ................................... 40

Figura 9.Porcentajes de remoción SST con los diferentes tratamientos. ...................................... 41


Lista de tablas

Págs.

Tabla 1. Caudales de entrada para el sistema de lodos activados. ................................................ 30

Tabla 2. Variables a medir y método de muestro diseño factorial 22. .......................................... 30

Tabla 3. Características del agua residual sintética. ..................................................................... 31

Tabla 4. Parámetros del agua residual sintética. ........................................................................... 31

Tabla 5. Variables dependientes a tener en cuenta en la investigación. ....................................... 32

Tabla 6. Condiciones de operación del bioreactor. ....................................................................... 33

Tabla 7.Valores de entrada y salida. ............................................................................................. 35

Tabla 8. Corridas operaciones por diseño experimental 22. .......................................................... 37

Tabla 9. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a TRH. ................................ 38

Tabla 10. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a la disminución de inyección

de aire (-15%, -30%). .................................................................................................................... 38


Lista de Anexos

Págs.

Anexo 1. Cálculos de diseño del reactor de lodos. ....................................................................... 49

Anexo 2. ........................................................................................................................................ 52

Anexo 3. Tabla de datos Excel. .................................................................................................... 53


Resumen

El presente trabajo evalúa la eficiencia de un sistema de tratamiento de un reactor de lodos

activados, operando bajo presión a una menor inyección de aire; ubicado en la Universidad Santo

Tomás, Campus Aguas Claras, sede Villavicencio, el cual tuvo como efluente a tratar, agua

residual sintética propuesta con el fin de controlar las características de la misma, a la entrada del

bioreactor. Para determinar la eficiencia del bioreactor, se empleó una caracterización del efluente

a través de monitoreo in situ de los siguientes parámetros: pH, oxígeno disuelto, temperatura del

agua y caudal; de acuerdo a esto se midieron variables independientes a la investigación como el

tiempo de retención hidráulico y la inyección de aire, posteriormente se realizó la medición de la

DBO, DQO Y SST, ex situ, para así determinar, la eficiencia de remoción final de la materia

orgánica en el bioreactor. Para realizar las corridas operacionales basado en un diseño factorial 22

se establecieron cuatro tratamientos; Tratamiento 1 reducción de aire del 15% y tiempos de

retención 3h; Tratamiento 2 reducción de aire del 15% y tiempos de retención 6h; Tratamiento 3

reducción de aire del 30% y tiempos de retención 3h; ; Tratamiento 4 reducción de aire del 30% y

tiempos de retención 6h; posterior a esto, se analizó la información por el análisis de la varianza

ANOVA para determinar la dependencia y significancia de las variables independientes en una

dependiente, se concluyó que, el tratamiento más eficaz en cuanto a remoción fue el tratamiento

1, puesto que, los porcentajes de remoción fueron del 71% de DBO, 69% de DQO y 77% de SST,

permitiendo aseverar que se realizó una remoción eficaz con tiempos de retención bajos y una

reducción del 15% de aire.

.

Palabras clave: Reactor de lodos activados, tiempo de retención, inyección de aire,

eficiencia, presión.


Abstract

The present work evaluates the efficiency of a treatment system of an activated sludge system,

operated under pressure at a lower air injection; located in the Santo Tomas University, Aguas

Claras Campus, Villavicencio headquarters. The system was feed whit a, proposed synthetic

wastewater in order to control its characteristics, at the entrance of the bioreactor. In order to

determine the efficiency of the bioreactor, an effluent characterization was carried out through in

situ monitoring of the following parameters: pH, dissolved oxygen, water temperature and flow;

according to this, independent variables such as hydraulic retention time and air injection were

also measured; later, BOD, COD and TSS, ex situ, were measured in order to determine the

efficiency of final removal of organic matter in the bioreactor. The experimental design considered

runs based on a factorial design 22 establishing four treatments; Treatment 1 15% air reduction

and retention times 3h; Treatment 2 15% air reduction and retention times 6h; Treatment 3 30%

air reduction and retention times 3h; Treatment 4 30% air reduction and retention times 6h; After

this, the information was processed by the analysis of the ANOVA variance to determine the

dependence and significance of the independent variables in a dependent. It was concluded that,

the most effective treatment as far as removal was concerned was Treatment 1, due to the higher

removal percentage 71% BOD, 69% COD and 77% TSS, therefore allowing an effective removal

with low retention times and a 15% air reduction.

Keywords: Activated sludge reactor, retention time, air injection, efficiency, pressure.


Introducción

Los niveles de contaminación presentes en cuerpos de agua como ríos están impactado

negativamente ecosistemas, tales como, lagos, lagunas, humedales, ecosistemas costeros entre

otros, alterando la capacidad de auto-recuperación (Escobar, 2002). Así mismo, la población que

habita en estos ecosistemas encuentra sus fuentes de alimentos afectada por los altos niveles de

contaminación.

Dentro de los tratamientos de aguas residuales, se encuentran los biorreactores de lodos

activados los cuales tienen una gran eficiencia en la remoción de materia orgánica. (Zhang, Jiang,

Xu, Wang, & Xie, 2017). Siendo una de las tecnologías más utilizadas para el tratamiento de las

aguas residuales domésticas y afluentes de las industrias en la medida que estos sean

biodegradables (Charpentier, 2014).

El presente proyecto se realizó para evaluar la eficiencia de remoción de un biorreactor de

lodos activados operando bajo presión reduciendo la tasa de inyección de aire, para el tratamiento

de un agua residual sintética, esta evaluación se llevó a cabo bajo el diseño experimental 22.

Por esta razón, este trabajo de investigación procura analizar mediante el análisis de la

varianza, cual configuración de tiempos de retención e inyección de aire resulta conveniente para

el tratamiento de agua residual, que interfiera negativamente en los procesos metabólicos llevados

a cabo en los lodos activados.


1. Planteamiento del problema

Los vertimientos provenientes de las viviendas y actividades económicas contienen

organismos patógenos y otros compuestos contaminantes, que son causantes de múltiples

enfermedades. Alrededor de 3,4 millones de personas mueren cada año por afecciones asociadas

a la presencia de materia fecal en el agua, como cólera, fiebre tifoidea, hepatitis infecciosa,

gastroenteritis, poliomielitis, criptosporidiosis y ascariasis (Foro Ambiental, 2017).

En este contexto cabe señalar, que para los sistemas de tratamiento de aguas residuales se

encuentran procesos aerobios siendo el sistema de lodos activados el más común, y anaerobios que

se emplean para la digestión de los lodos (Jiménez, 2014). Los bioreactores de lodos activados

son procesos biológicos, realizado por un consorcio bacteriano aerobio en suspensión los cuales

son formadoras de flóculos (Rodríguez y Sánchez, 2003); cuyo accionar causa la oxidación de la

materia orgánica en suspensión.

El ambiente aerobio se consigue mediante la aireación dentro del medio fluidizado por el

uso de difusores de aire, que, a su vez, permiten mantener el líquido perfectamente agitado y en

movimiento continuo. Aunque la distribución ineficiente de la aireación crea zonas muertas

posibilitando la sedimentación. En el material sedimentado se genera anoxia, beneficiando el

crecimiento de bacterias filamentosas, generadoras de un floc espeso que tapona la salida del

biorreactor (Department of Environmental Quality, 2012) las cuales van afectar el sistema de

tratamiento ya que se genera una sobrepoblación de bacterias filamentosas afectando el tratamiento

posterior (sedimentación).

El rango de temperatura de Villavicencio se encuentra entre 20-38°C, según informe

(IDEAM, 2018), este factor puede restringir la degradación de los contaminantes a moléculas

orgánicas más simples (Rodríguez y Sánchez, 2003).

Los sistemas de tratamiento de lodos activados no logran alcanzar las concentraciones de


oxígeno disuelto, lo cual resulta una limitante para el crecimiento de los microorganismos

obteniendo un menor rendimiento, (Torres, 2014) afirma que las células cuando entran en agitación

acelerada consumen oxígeno disuelto 750 veces el valor de la saturación de oxígeno disuelto

durante una hora en un medio acuoso.

1.1 Formulación en torno al problema

¿Cómo varía la eficiencia de un bioreactor de lodos activados operando bajo presión

variando la inyección de aire, a escala piloto en la Universidad Santo Tomás, Campus Aguas

Claras durante un tiempo de 5 meses?


2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Determinar la eficiencia de remoción al variar los niveles de inyección de aire en un reactor

de lodos activados con presión a escala piloto.

2.2 Objetivos específicos

a) Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e inyección

de aire.

b) Determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento de agua residual sintética

implementando un diseño factorial 22.

c) Analizar las concentraciones de salida de la DBO, DQO y SST en el bioreactor de lodos

activados a escala piloto.


3. Justificación

El presente trabajo evaluó la aplicación de la Ley de Henry, esta expresa que la cantidad de gas

disuelta en un líquido a una determinada temperatura es directamente proporcional a la presión

parcial que ejerce ese gas sobre el líquido (MANAHAN, 2007), con el fin de optimizar el sistema

de aireación utilizado durante la investigación, consiguiendo mejorar las proporciones de oxígeno

disuelto en el licor de mezcla sin aumentar los volúmenes de aire dentro del bioreactor.

Durante el funcionamiento los costos por operación de un tratamiento biológico de lodos

activados; son en energía, personal, mantenimiento e insumos, siendo el gasto energético y el

personal los que más recursos demandan, por ende, la inversión debe ser alta. En la actualidad los

costos energéticos han adquirido más relevancia en los esquemas de inversión de los tratamientos

aerobios de aguas residuales por lo que se convierte en un aspecto sujeto a revisión (Castell et al,

2011). Generalmente esta revisión evalúa la opción de optimizar el sistema de aireación, dejando

a un lado la posibilidad de brindar unas condiciones en los bioreactores que permitan la solubilidad

en mayor cantidad del oxígeno que ingresa con el caudal de aire.

El consumo de energía durante la operación de tratamiento de agua residual (PTAR)

representa un tercio del costo total; de los cuales un 40% del total del consumo de energía es

abarcado por el proceso de aireación (ver Figura 1), puesto que los equipos de aireación deben

estar en constante funcionamiento para que el proceso se lleve a cabo correctamente, así mismo,

requieren de equipos de control lógico programable o PLC por sus siglas en inglés (Peña, 2012).


Figura 1. Diagrama del balance energético en una Empresa Depuradora de Agua Residual (EDAR). Adaptado de

(Castell et al, 2011).

En la Figura 1, se observa que en el balance energético de una Estación Depuradora de

Aguas Residuales (EDAR) el mayor consumo energético lo presenta la aireación, por ende, este

trabajo pretende evaluar la posibilidad de disminuir la tasa de inyección de aire, brindando unas

condiciones dentro del bioreactor de lodos activados que permitan aprovechar en mayor medida

el oxígeno entrante, y así reducir las cantidades de aire suministrados, se implementó un diseño

factorial 22 para analizar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento.


4. Alcance del proyecto

El proyecto de investigación propuesto, determinó la eficiencia de remoción del bioreactor

de lodos activados a escala piloto, modificando las variables de inyección de aire y tiempos de

retención.

El proyecto fue realizado en la ciudad de Villavicencio-Meta, en las instalaciones de la

Universidad Santo Tomás campus Aguas Claras, donde estuvo ubicado el bioreactor de lodos

activados a escala piloto. La cobertura temporal de esta investigación abarcó un tiempo de 5 meses

aproximadamente, en el cual los primeros 3 meses se realizaron las diferentes pruebas

experimentales para evaluar la eficiencia del bioreactor trabajando a una menor inyección de aire

(-15% y -30% de acuerdo a los requerimientos teóricos de aire para un reactor de lodos activados

convencional a presión atmosférica) en unos tiempos de retención establecidos (6h y 3h ) con

caudales de 0,57 y 1,13 m3/día respectivamente , manejando concentraciones de entrada con una

DQO de 374 mg/l; estableciendo corridas operacionales por un diseño factorial 22 con las variables

concentración de entrada y tiempos de retención; los otros 2 meses restantes se realizaron los

análisis de los resultados obtenidos y escritura del presente documento.


5. Antecedentes

La Ley de Henry se emplea en varias industrias, se destaca la producción de bebidas

gaseosas en donde se utiliza este principio para agregar CO2 al jarabe y se convierta en gaseosa,

por medio de la utilización del equipo Carbonatador, empleando presiones más altas que la

requerida para el volumen de gas necesario en cada bebida. Para el funcionamiento de estos

equipos el jarabe debe tener temperaturas por debajo de los -10°C (Valencia, 2014).

Geng & Duan, 2010; diseñaron un modelo de predicción de oxígeno soluble en agua pura

y salmueras, a altas temperaturas y presiones. En este modelo se puede extrapolar más allá de los

datos existentes de un sistema de sal acuosa a sistemas complejos de salmuera, incluyendo agua

de mar. Cabe resaltar que el modelo desarrollado abarca rangos de temperatura y presión más

amplios en sistemas de salmuera de composición variable.

Figura 2. Oxigeno soluble en agua en 4 modelos diferentes a 533 K. Adaptado de (Geng & Duan, 2010).

Zhang, Jiang, Xu, Wang, & Xie, 2017; operaron un bioreactor de lodos activados

presurizado para el tratamiento de aguas residuales a diferentes niveles de salinidad, las

condiciones determinantes de esta investigación fueron la aireación y presión, éstas condiciones

aumentaron el oxígeno disuelto en el licor de mezcla. El nitrógeno tuvo una influencia importante

en los niveles de remoción de salinidad presente en el agua, para esta investigación es importante


resaltar este antecedente ya que se consideraron dos de los componentes operacionales más

importante de la investigación, aireación y presión.

En octubre del 2018 los ingenieros ambientales egresados de la facultad en la sede

Villavicencio Carlos H. Cuartas y Jean Pierre Cuadrado Baquero, Ingenieros ambientales

egresados de la facultad en la sede Villavicencio, operaron un bioreactor de lodos activados a

diferentes presiones y tiempos de retención hidráulica para evaluar las diferentes variables de

DBO, DQO y SST. Proponiendo, con base en la Ley de Henry, que el sistema sería más eficiente

y homogéneo al aumentar el oxígeno disuelto en el licor de mezcla.

International Enterprise Singapore, 2012; en la actualidad Singapur es el país más

desarrollado en sistemas de tratamiento de agua potable, desalinización y cloacales. Es el mayor

proveedor de plantas de tratamiento de medio oriente, construyó la planta de tratamiento y reciclaje

de aguas residuales de Doha Norte-Catar, la cual, cuenta hoy con una capacidad de tratamiento de

280.000 m3/día.

Migens, 2013; la planta de tratamiento más grande de Latinoamérica se encuentra

Atotonilco-Hidalgo, México. Cuenta con una capacidad máxima de tratamiento de 4.320.000

m3/día. Esta planta hace un aprovechamiento de los lodos producidos durante el proceso, por un

sistema de cogeneración obteniendo biogás, permitiendo el máximo ahorro energético.

Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca , 2017; en Bogotá se produce

1.296.000m3/día de agua residual de 3 millones de habitantes, este volumen de agua llega a la

PTAR Salitre que cuenta con una capacidad de tratamiento de 345.600 m3/día, esto llevó a la CAR

a desarrollar el proyecto de ampliación, implementará la tecnología de lodos activados para la

depuración del agua.


6. Marco de referencia

6.1 Marco teórico

A continuación, se refiere a la identificación de teorías que contribuyen a la solución de

problemas de investigación.

El principio fundamental que estudia la concentración de los gases en el agua, se calcula

mediante la Ley de Henry o Ley parcial de los gases:

𝑃 = 𝐾ℎ . 𝑋 Ecuación (1)

Donde:

P = Presión parcial del gas.

Kh = Constante de Henry.

C= Concentración del gas.

(Geng & Duan, 2010) reportaron en su modelo de predicción de solubilidad del oxígeno

en agua pura y salmueras con altas temperaturas y presiones, que en consecuencia a la Ley de

Henry el modelo planteado fue efectivo debido a que el incremento de 𝑂2 fue proporcional al

aumento de la presión hasta 2900,75 psi en una solución de NaCl .

El tratamiento de aguas residuales a través de un bioreactor de lodos activados es posible

teniendo una carga contaminante como fuente de alimento de los microorganismos que se

encuentran suspendidos en el licor de mezcla (Department of Environmental Quality, 2012). Estos

microorganismos no se pueden ver a simple vista, pero, a menudo se conglomeran formando una

masa biológica similar a un floculo de color marrón. Se estima que estos microorganismos aerobios

presentes en el bioreactor producen 0,7 libras de biomasa por cada libra de DBO depurada.

La aireación cumple dos funciones importantes para el correcto funcionamiento del

bioreactor de lodos activados, en primer lugar, la aireación debe proporcionar el oxígeno suficiente


para la población de bacterias aerobias facultativas existentes, se garantizara entre 2 – 3 mg/L de

oxígeno disuelto (Department of Environmental Quality, 2012). Así mismo, la inyección de

oxígeno mantendrá en suspensión y homogéneo el contenido de la mezcla, incrementado el

contacto entre contaminantes y biomasa microbiana. Junto con el diseño del reactor, se evitarán

la formación de áreas muertas o puntos críticos, es decir, se disminuye la sedimentación con la

consecuente formación de bacterias filamentosas que aumentan los tiempos de retención,

acumulando floculo mixto en la base del reactor, reduciendo la densidad del licor y por tanto

haciendo que el tratamiento sea ineficiente.

En el transcurso del tiempo de retención, el licor de mezcla es conducido hacia un tanque

de sedimentación con el fin de separar la biomasa del agua residual tratada. Los lodos

sedimentados son conducidos por una tubería de recirculación para preservar la población de

microorganismos apropiada, entretanto cierta cantidad de los lodos puede ser purgada del sistema

para prevenir una acumulación excesiva de biomasa (Jiménez, 2014).

El tiempo de retención celular denominado “tiempo de residencia de sólidos”, es el tiempo

medio de permanencia de los sólidos en el bioreactor. Para el cálculo del tiempo de retención se

adoptó la siguiente ecuación: según Romero (2004):

𝜃𝑐 =𝑉.𝑋

𝑄𝑤𝑋𝑟+𝑄𝑒𝑋𝑒 Ecuación (2)

Donde:

Θc =Tiempo promedio de retención celular con base en el volumen del tanque de aireación d.

V = Volumen del tanque de aireación, m3.

X = Concentración de SSV en el tanque de aireación, SSVLM mg/l.

Qw = Caudal de lodo dispuesto, m3/d.

Xr = Concentración de SSV en el lodo dispuesto, mg/l.

Qe = Caudal efluente tratado, m3/d.

Xe =Concentración de SSV en el efluente tratado, mg/l.


La eficiencia del tratamiento de lodos activados se mide mediante la siguiente ecuación:

(Romero, 2004).

𝐸 =𝑆𝑜−𝑆

𝑆𝑜 Ecuación (3)

Donde:

E = Eficiencia.

S = DBO del efluente.

So = DBO del afluente.

El ambiente dentro de un reactor de lodos activados, por ser un tratamiento biológico debe

garantizar condiciones óptimas para el desarrollo de la biomasa, tales como pH, temperatura,

nutrición, oxígeno disuelto y una mezcla adecuada del medio.

El pH debe estar en 6,5 y 8,5, en cuanto a la temperatura se debe mantener en el rango de

entre 25°C y 45°C, los nutrientes esenciales deben cumplir con una proporción de 100:5:1 (C:N:P),

el oxígeno disponible en el bioreactor se debe mantener entre 1 y 2 mg/L (Calderón, 2004).

En la Figura 3 se puede observar el comportamiento de la biomasa a lo largo de sus cuatro

fases: la fase lag tiene una etapa de adaptación al sistema, por tanto a través del tiempo la tasa de

crecimiento es baja; al inocular el sistema, los consorcios bacterianos inician a duplicarse a través

de fisión binaria, aumentando la biomasa y consumiendo los sustratos mediante las capacidades

metabólicas que posean, una vez se ha terminado el sustrato, se inicia la fase estacionaria, en donde

el aumento de biomasa es nulo debido al agotamiento de sustratos, si no hay más ingreso de materia

orgánica o sustratos nutritivos, la viabilidad de las células decaerá, conocida como la fase de

muerte.


Figura 3. Crecimiento celular. La curva X representa la concentración de biomasa y la curva S, la concentración de

materia orgánica. Adaptado de Jiménez (2014).

6.2 Marco Conceptual

En este aparte, se contextualización en las variables contempladas en el problema y los

objetivos de investigación utilizados con mayor frecuencia.

Las aguas residuales, también llamadas aguas negras o cloacales, son el resultado del uso

doméstico o industrial del agua, creando un vertimiento. La disposición de este vertimiento puede

ser controlada o no, para ello se han implementado diferentes sistemas de tratamiento mediante un

conjunto de operaciones que tiene como objetivo modificar las características físicas, químicas o

biológicas del agua, donde existen varios tipos de tratamientos. Los tratamientos más comunes son

los biológicos, en estos se intensifica la acción natural de los microorganismos para estabilizar la

materia orgánica presente en el agua. La principal fuente de un sistema aerobio es el oxígeno como

aceptor final de electrones; logrando rendimientos energéticos elevados y una importante

generación de lodos. Para esta investigación se implementó un bioreactor de lodos, donde las aguas

son aireadas en un tanque que contiene microorganismos degradadores. Para determinar la

remoción del contaminante en el agua residual, se debe hacer análisis experimentales, para ello se


miden parámetros como la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO), que es la cantidad de oxígeno

usado en la estabilización de la materia orgánica, mide directamente el contenido de materia

orgánica biodegradable; Demanda Química de Oxígeno (DQO) medida de la cantidad de oxígeno

requerido para la oxidación química de la materia orgánica del agua residual y Solidos

Suspendidos Totales (SST), que es la cantidad de solidos presentes, en suspensión (Romero,

2004).

6.3 Marco legal

En Colombia la normatividad que controla los vertimientos a cuerpos de agua superficial

ha ido evolucionando debido a que el Decreto 1594 de 1984 que inicialmente los vigilaba,

establecía en los artículos 74 y 75, que toda actividad económica que tuviera un vertimiento

puntual a un cuerpo de agua debía efectuar un porcentaje de remoción en la carga contaminante;

pero él mismo no consideraba cual era el impacto a estos cuerpos de agua superficiales, debido a

que se tenía en cuenta la eficiencia del proceso para remover la carga contaminante y no la carga

contaminante emitida (Secretaría Jurídica Distrital de la Alcaldía Mayor de Bogotá D.C., 1984).

No obstante, la resolución 3930 de 2010, en el capítulo VII artículos 42 al 60, estableció los

permisos legales y planes de mejoramiento a tener en cuenta, para personas naturales o jurídicas

que realicen actividades o servicios que generen algún tipo de vertimientos hacia aguas

superficiales, marinas, o al suelo. Vencida la vigencia del decreto 1594 de 1984 se implementó la

Resolución 631 del 2015 que establece los parámetros y los valores permisibles en un vertimiento

puntual, para los diferentes sectores económicos, teniendo en cuenta que las cargas contaminantes

varían según la actividad productiva (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2015). Esto

permite un control más exhaustivo a las industrias puesto que se hace por cada uno de los

parámetros establecidos en la resolución anteriormente mencionada a nivel de carga (mg/L). Por

lo tanto, para esta investigación en su etapa de construcción implementado un sistema de

tratamiento de lodos activados a escala piloto, se tuvo en cuenta la resolución 0330 del 2017,

capítulo cinco; donde establece los diferentes tipos de tratamiento para aguas residuales, y

consideraciones de diseño para los diferentes tipos de tratamiento, en este caso lodos activados y

sedimentadores.


7. Metodología

El presente capítulo, fue escrito con el fin de establecer como se llevó a cabo la

investigación, diseñando detalladamente la estrategia para obtener la información y las actividades

para darle respuesta a los objetivos planteados.

7.1 Enfoque investigativo

Por las características de la temática en estudio, demanda un enfoque cualitativo. Según

Hernández, Fernández y Baptista (2014), indican que las características del enfoque cualitativo,

permiten utilizar la recolección y análisis de los datos, el estudio cualitativo puede desarrollar

preguntas e hipótesis antes, durante o después de la recolección y el análisis de los datos.

Actividades que sirven para descubrir preguntas de investigación relevantes, llevándose a cabo

una dinámica en ambos sentidos: entre los hechos y su interpretación.

Cabe señalar que el enfoque cualitativo, también posee características, entre las que se

pueden mencionar: los investigadores plantean una problemática, la investigación se basa más en

una lógica y proceso inductivo (Explorar, describir, y luego generar perspectivas teóricas). No se

prueban hipótesis, si no que se generar durante el proceso y se perfecciona conforme se recaban

más datos; son un resultado del estudio. Al igual, el enfoque se basa en método de recolección de

datos no estandarizados ni predeterminados completamente. Tal recolección consiste en obtener

las perspectivas y puntos de vista de los participantes. Para el caso específico los investigadores

utilizaron técnicas que hacen referencia a (muestras experimentales in situ y ex situ).

7.2 Tipo de investigación

Correspondió a la investigación experimental. Según Lerma (2016), señala que su objetivo

es explicar causa-efecto entre dos o más variables o fenómenos. El investigador modifica

intencionalmente el estado de algunos de los sujetos de estudio, introducción y manipulando un

tratamiento o una intervención que desea estudiar o evaluar. Por consiguiente, el diseño


experimental a aislar la variable independiente de interés pretende eliminar, en lo posible,

cualquier variable extraña (de confusión) que pueda interferir en la relación y distorsionar las

conclusiones sobre la variable independiente y dependiente en estudio.

7.3 Método de estudio

Corresponde al método inductivo. Teniendo en cuenta al autor Méndez (2014), quien

establece que el método inductivo, es el proceso de conocimiento que se inicia por la observación

de fenómenos particulares con el propósito de llegar a conclusiones y premisas generales que

pueden ser aplicadas a situaciones similares a la observada. Es decir, permite que los

investigadores a partir de la observación del fenómeno particular, se lograra establecer condiciones

operacionales para las variables de tiempo de retención e inyección de aire; determinar dicho

fenómeno implementando un diseño factorial 22; donde posteriormente se analizaron las

concentraciones de salida de la DBO, DQO y SST en el bioreactor de lodos activados con presión

a escala piloto.

7.4 Área de estudio

El bioreactor de lodos activados a escala piloto, está ubicado dentro de las instalaciones de

la Universidad Santo Tomás, campus Aguas Claras, del municipio de Villavicencio-Meta,

corresponde a clima tropical, una humedad promedio del 85% y la temperatura promedio se

encuentra en un rango de 20 a 35°C (IDEAM, 2018).(ver Figura 3).

Figura 4. Esquema representativo del bioreactor de lodos activados. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019


7.5 Temporalidad del estudio

La investigación se ejecutó en un periodo de cinco (5) meses; iniciando el 10 de agosto, y

finalizando el 6 de diciembre de 2018, evaluando la eficiencia de remoción trabajando en un

sistema a baja cantidad de aire.

Para llevar a cabo el desarrollo de la investigación, se determinaron las siguientes fases.

Diagrama de flujo:

Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

Fase 1: Modelo experimental y variables a modificar. Las variables que se controlaron

fueron inyección de aire y tiempos de retención, manejando una presión constante de 5 psi para

que la solubilidad del gas se mantenga, en este caso el oxígeno se homogenizará en la mezcla, por

ende, las bacterias consumen la materia orgánica, incrementando la eficiencia. No obstante, la

inyección de aire se redujo con una válvula reguladora a -15% y -30% con respecto al valor

requerido por diseño en el sistema de tratamiento, así mismo, se establecieron los tiempos de

retención hidráulico, por medio de la ecuación:


TRH = Vr/Q (Gamonal, 2013) Ecuación (4)

TRH: Tiempos de retención hidráulico

Vr: Volumen del biorreactor

Q: Caudal

Los tiempos estimados fueron 6h y 3h, puesto que es el tiempo que las bacterias están en contacto

con el agua residual, los cuales se calcularon mediante la Ecuación 4. Por consiguiente, se

manejaron caudales de 0,57 m3/día para el tiempo de 6h y caudales de 1,13m3/día para el tiempo

de 3h, teniendo en cuenta el volumen del bioreactor de 142 L (Ver Tabla 1).

Tabla 1. Caudales de entrada para el sistema de lodos activados.

Volumen (L) TRH (h) Q (m3/día)

142 6 0,57

142 3 1,13

NOTA. Descripción de tiempos estimados, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

De esta manera, se implementó el uso del método experimental del diseño factorial 22,

mediante el cual se establecieron las pruebas de variación de inyección de aire y tiempos de

retención hidráulicos, asociado a diferentes caudales, teniendo en cuenta que durante la

investigación se manejó una presión constante de 5 psi, esta se estableció por criterio de los

investigadores considerando las presiones manejadas en la investigación de (Cuadrado & Cuartas,

2017), donde se manejó un rango entre 3 a 9 psi, y una DQO de 374mg/L. (Ver Tabla 2).

Tabla 2. Variables a medir y método de muestro diseño factorial 22.

MODO EXPERIMENTAL DISEÑO FACTORIAL 22

Corridas Inyección de Aire Tiempo de retención Hidráulico

T1 (6 Horas) T2 (3 horas)

Primera

Corrida

-15% A1 – T1 A1 -T2

-30% A2 – T1 A2 – T2

Segunda

Corrida

-15% A1 – T1 A1 – T2

-30% A2 – T1 A2 – T2

Presión constante a 5 psi

DQO 374 mg/L NOTA. Descripción de resultados del modo experimental diseño factorial 22 Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía,

2019


A1= -15%

A2= -30%T1= 6 horas

T2= 3 horas

Fase 2: Características del agua residual sintética. El montaje del agua residual

sintética, se implementó para controlar el tipo de contaminante que va entrar al bioreactor de lodos

activados, así mismo, para mantener los valores de entrada de DQO DBO y SST en valores

constantes. (ver Tabla 3 y 4).

Tabla 3. Características del agua residual sintética.

COMPUESTO CANTIDAD (mg/l)

Leche en polvo 100

Gelatina sin sabor 35

Almidón 170

Sal común 7

Azúcar 28

Urea 3

Fosfato Bicalcico 40

Sulfato de magnesio 2,5

Jabón de tocador 3 gotas

Aceite de soya 15 gotas NOTA. Datos de cantidades del agua residual por sus caracteristicas: (Lozano, 2012).

A continuación, se ilustra mediante la siguiente tabla los parámetros del ARS y los

resultados del laboratorio de los análisis del efluente. (ver Tabla 4)

Tabla 4. Parámetros del agua residual sintética.

PARAMETROS DEL REFERENTE RESULTADOS DE LABORATORIO

PARAMETROS VALOR MEDIO (mg/l) PARAMETROS VALOR MEDIO (mg/l)

DQO 374 DQO 387

Sólidos

suspendidos totales

230 Sólidos

suspendidos totales

280

pH 7,2 pH 7,1

Nitrógeno

amoiacal(NH3)

1,7 Nitrógeno

amoiacal(NH3)

-

Fósforo libre (P) 5,3 Fósforo libre (P) -

Fosfatos (PO4) 16,9 Fosfatos (PO4) -

Pentóxido de

fósforo (P2O5)

11,8 Pentóxido de

fósforo (P2O5)

-

NOTA. Descripción de los valores del referente y resultados de laboratorio, Adaptado de: (Lozano, 2012).


Fase 3: Corridas operacionales. Para las corridas operacionales se implementó el diseño

factorial 22 estableciendo dos corridas operacionales cada una con replica para determinar la

remoción del bioreactor. Previo a las corridas se fijaron dos semanas de adaptación, arranque y

estabilización, posteriormente, se dio inicio con los diferentes tratamientos dando un lapso de una

semana entre cada tratamiento, las corridas operacionales están determinadas de la siguiente

forma: a una reducción de inyección de aire del -15%, -30% con tiempos de retención hidráulico

de 6 y 3 horas, caudales de 0,57m3/día y 1,13m3/día respectivamente con una presión constante de

5 psi.

Con base a lo anterior, para determinar la eficiencia del bioreactor se llevó un monitoreo

de los siguientes parámetros, lo cual son importantes para la investigación: (ver Tabla 5).

Tabla 5. Variables dependientes a tener en cuenta en la investigación.

NOTA: Resultados de eficiencia del bioreactor Adaptado de Cuartas y Cuadrado, 2017).

Fase 4: Análisis de los resultados.

Para el procesamiento de los datos se utilizó ANOVA de un factor lo cual genera un análisis

de varianza de un factor para una variable dependiente cuantitativa respecto a una única variable

de factor (la variable independiente). El análisis de varianza se utiliza para contrastar la hipótesis

de que varias medias son iguales, con esto determinara el grado de dependencia (F) y significancia

(Sig.), si el valor de F está por encima de 0,05 quiere decir que va tener dependencia esta relación,

y el valor de significancia analiza que tanto esta dependencia va tener una variabilidad. (IBM®,

2019). Para el uso del análisis de la varianza ANOVA se utilizó el software IBM SPSS Statistics

22.

Parámetro Frecuencia Observaciones Equipo de

medición

pH Una vez por

día

Está relacionado con los lodos activados,

debido al comportamiento en el crecimiento y

eficiencia de las bacterias, siendo un pH entre

7-8 óptimo para la remoción del contaminante.

Equipo

multiparámetro

OD Una vez por

día

Estrictamente determina el oxígeno disponible

que se disuelve en la mezcla de agua, el cual es

captado por las bacterias como fuente

funcional

Equipo

multiparámetro

T° Una vez por

día

La temperatura incide directamente en la

concentración de OD en el agua

Equipo

Multiparámetro


8. Resultados y discusión

8.1 Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e

inyección de aire

8.1.1 Condiciones operacionales.

Las condiciones operacionales iniciales del bioreactor fueron:

Tabla 6. Condiciones de operación del bioreactor.

Inyección de

Aire

Tiempos de

retención (h)

Presión (psi) Carga DQO

(mg/L)

Volumen

Biorreactor

(L)

Caudal

(m3/día)

-15%, -30% 6 5 374 142 0,57

3 5 374 142 1,13 NOTA: Resultados de las condiciones iniciales del biorreactor, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

Las corridas operacionales fueron manejadas por el diseño factorial 22, en el cual se definen

dos variables; tiempos de retención e inyección de aire, para determinar el valor de los tiempos de

retención se llevó mediante la ecuación:

𝑇𝑅𝐻 = 𝑉𝑟

𝑄

Donde:

TRH: Tiempo de retención hidráulico

Vr: Volumen del reactor

Q= Caudal

Por consiguiente, determinación de tiempo retención 3h;

V: 142 L

Q: 1,13m3/día


𝑄 = 1,13𝑚3

𝑑𝑖𝑎∗

1000𝑙

1𝑚3= 1130

𝑙

𝑑𝑖𝑎∗

1𝑑𝑖𝑎

24ℎ= 47,0833

𝑙

ℎ

𝑇𝑅𝐻 = 142𝑙

47,0833 𝑙

ℎ

= 3,015ℎ

Para 6h;

V: 142 L

Q: 0,57m3/día

𝑄 = 0,57𝑚3

𝑑𝑖𝑎∗

1000𝑙

1𝑚3= 570

𝑙

𝑑𝑖𝑎∗

1𝑑𝑖𝑎

24ℎ= 23,75

𝑙

ℎ

𝑇𝑅𝐻 = 142𝑙

23,75 𝑙

ℎ

= 5,9789ℎ = 6h

Inicialmente se realizó una corrida de adaptación, puesto que era el inicio de los

microorganismos en el medio presurizado, posteriormente se procedió a iniciar las corridas

operaciones de acuerdo con el diseño experimental 22, manejando las reducciones de inyección de

aire planteadas en la metodología.

La aireación fue suministrada mediante un inyector Venturi y controlada por los

investigadores de forma manual mediante una válvula de globo y un flujometro. El flujometro

permitió conocer el volumen de aire que ingresó al sistema el cual fue 1,5 L/min y sobre este valor

hacer reducciones girando la perilla de la válvula hasta conseguir los flujos de aire de 1,275 L/min

(-15%) y 1,05 L/min (-30%) respectivamente.

Se consiguió mantener y controlar la presión de forma manual durante la toma de muestras

mediante un manómetro que permitía conocer la presión dentro del bioreactor y una válvula de

globo utilizada para liberar la presión a medida que sobrepasaba los 5 psi. Este control de la presión

solo fue posible por el monitoriamente constante durante el muestreo, puesto que no se encuentra

automatizado, al final de la jornada se dejaba abierta la válvula de tal manera que la presión se

mantuviera entre los 5psi y 8psi durante la noche, al día siguiente 1 hora antes de empezar los

muestreos se estabilizaba la presión en 5 psi.


Se establecieron los diferentes puntos para muestreo designados de la siguiente manera: el

primer punto (Punto 1) de muestreo se tomó en la manguera que lleva el agua tratada del

sedimentador al Venturi, lo cual se permitió determinar si existe un contacto entre los lodos

generados por el sedimentador y el efluente; el segundo punto (Punto 2) designado se tomó de la

manguera que lleva el agua tratada del bioreactor al sedimentador, lo que permitió conocer la

cantidad de sedimentos que fueron tratados después del tratamiento secundario, y por el ultimo el

tercer punto (Punto 3) fue justo en la salida del sistema, para determinar los valores de salida de la

DQO, DBO y SST (Ver Figura 5 y 6).

Figura 6. Sistema y puntos de muestreo., Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

Por su parte procediendo con la metodología en la Tabla 7 se puede observar las diferentes

variables independientes del trabajo que se midieron diariamente.

Tabla 7.Valores de entrada y salida.

Parámetro pH Oxígeno

Disuelto (mg/L)

Temperatura

(°C)

TRH 6h (-15%) Entrada 7,1 4,37 27

Salida 7 4,44 27

TRH 6h (-30%) Entrada 7,1 4,41 27

Salida 7 4,46 27

TRH 3h (-15%) Entrada 7,2 3,32 28,5

Salida 6,9 3,35 28,5

TRH 3h (-30%) Entrada 7,2 3,34 28,5

Salida 6,9 3,36 28,5

NOTA: Resultados de las variables independientes, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019


El pH se mantuvo en un rango neutro debido a que era una variable sujeta al agua residual

artificial; el OD fue posible mantenerlo en proporciones óptimas para el desarrollo de los

microorganismos teniendo en cuenta que la razón de la investigación era una disminución en las

cantidades de oxígeno suministradas al sistema; las variaciones en la temperatura no representaron

una alteración significativa en el sistema debido a que teóricamente los microorganismos subsisten

en las condiciones proporcionadas, consiguiendo así un desempeño apropiado para el desarrollo y

operación de la investigación. (Malorga, 2004)

Para la obtención de los datos se llevó un monitoreo diario, y se obtuvo una relación entre

las reducciones de inyección de aire y el oxígeno disuelto, a medida que se reducía la inyección

de aire disminuía también la cantidad de oxígeno disuelto. El factor temperatura también influyó

negativamente en las cantidades de OD (Ver Tabla 7), ya que esta reduce la capacidad de

disolución de oxígeno en el agua. (MARTÍNEZ, ALVARADO, & WILLIAM, 2001)

Con base en lo anterior, se puede afirmar que los valores de oxígeno disuelto fueron

positivos para la investigación, ya que se consiguió que el agua, los microorganismos y el oxígeno

tuvieran una mezcla adecuada. Durante esta investigación se manejó el tipo de microorganismo

mesofilos extraídos de la PTAR ubicada en el Colegio la Fontana en un volumen de 20 L para toda

la investigación, a su vez estos microorganismos solo pueden sobrevivir a temperaturas entre 15°C

-35°C y durante la investigación la temperatura estuvo entre 27 a 29°C. (State water resources

control board, 2017)

8.2 Determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento de agua residual

sintética implementando un diseño factorial 22.

El análisis del diseño factorial 22 se llevó a cabo por el método de ANOVA, permite

analizar el efecto de una variable dependiente sobre una independiente, por lo tanto, para

determinar el efecto de la variación se utilizó el software SPSS, generando un análisis estadístico.

Se analizó la influencia de los tiempos de retención hidráulica sobre las variables DBO, DQO y

SST, de la misma manera se llevó a cabo con la tasa de inyección de aire.


De acuerdo con la Tabla 8, se observan los resultados obtenidos de los análisis en

laboratorio de entrada y salida del biorreactor, por las variables determinadas en esta investigación

DBO, DQO y SST, cabe mencionar que a medida que iba avanzando la investigación se hicieron

ajustes al sistema debido a que en la primera correlación 6h de tiempo de retención y -15% de

inyección aire, el sedimentador presento una sobrecarga y este obtuvo un valor mayor con respecto

al valor de entrada, esto fue debido al incremento de sedimentos tapono la válvula de salida (Ver

Tabla 8).

Tabla 8. Corridas operaciones por diseño experimental 22.

Parámetro DBO

(mg/l)

Remoción

DBO (%)

DQO

(mg/l)

Remoción

DQO (%)

SST

(mg/l)

Remoción

SST (%)

TRH 3h

(-15%)

Tratamiento

1

Entrada 283,836 71%

368,618 69%

270 77%

Salida 73,463 110,991 60

TRH 3h

(-30%)

Tratamiento

2

Entrada 330,934 49%

429,785 46%

340 78%

Salida 197,126 256,007 140

TRH 6h

(-15%)

Tratamiento

3

Entrada 283,836

66%

368,618

67%

270

0

Salida 86,16 104,104 290

TRH 6h

(-30%)

Tratamiento

4

Entrada 283,836

73%

368,618

71%

270

94%

Salida 62,07 80,61 20

NOTA: Resultados del diseño experimental, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

En las corridas operacionales llevadas a cabo, se controlaron los valores de entrada

propuestos, valores de DQO que oscilaron entre 326 mg/L a 430 mg/L, manejando una media de

372 mg/L de DQO durante la investigación; por ende, el referente que se utilizó de la guía

experimental para hacer agua residual sintética fue de gran importancia.

La variable tiempo de retención hidráulico (TRH) establecida por la ecuación (4) fue

considerada como el punto de partida para definir los tiempos de retención de esta investigación.

En la Tabla 9 se expresan los resultados de análisis estadístico ANOVA, donde se aprecian el

efecto de la dependencia (F) de los tiempos de retención hidráulicos (TRH) sobre los porcentajes


de remoción de DQO, DBO y SST. En este caso el porcentaje de remoción de DQO es el más

dependiente con respecto a los otros (SALAZAR, 2008). En cuanto a la significancia (Sig.) el

porcentaje de remoción más susceptible a la variación de los tiempos de retención es la remoción

de DBO, sin embargo, a pesar de que ésta, es más susceptible no tiene un nivel de significancia

representativo.

En general las variaciones con los dos tiempos de retención hidráulicos (6h, 3h) no van a

ser significativas con respecto a los porcentajes de remoción debido a que el valor de significancia

(Sig.) es mayor que 0,05 (SALAZAR, 2008).

Tabla 9. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a TRH.

ANOVA

F Sig.

Porcentaje de remoción de DQO (%) ,971 ,428

Porcentaje de remoción de DBO (%) ,032 ,874

Porcentaje de remoción de SST (%) ,421 ,583

NOTA: Resultados del análisis ANOVA, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

Para la variable de inyección de aire se manejaron reducciones de -15% y -30% con

respecto al valor inicial 1,5 L/min, estas reducciones fueron establecidas a criterio por los

investigadores, en la Tabla 6. El análisis de la varianza determinó que la DBO es la variable con

mayor dependencia (F) a los cambios de inyección de aire respecto a los otros. El valor de

significancia (Sig.) indica que la DBO tiene una relación representativa y fuerte con la inyección

de aire, se debe aclarar que durante la investigación la presión de 5 psi fue constante.

Tabla 10. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a la disminución de inyección de aire (-15%, -

30%).

ANOVA

F Sig.

Porcentaje de remoción de DQO (%) ,574 ,528

Porcentaje de remoción de DBO (%) 60,840 ,016

Porcentaje de remoción de SST (%) 1,459 ,351

NOTA: Resultados del análisis ANOVA, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019


8.3 Analizar las concentraciones de salida de la DBO, DQO Y SST en el bioreactor de lodos

activados a escala piloto.

Para el análisis de los datos se utilizaron gráficas de líneas para representar el

comportamiento de los porcentajes de remoción de DBO, DQO y SST con respecto a cada

tratamiento empleado de acuerdo al diseño experimental.

De acuerdo a la Figura 6, se puede evidenciar que el tratamiento con mayor porcentaje de

remoción de DQO fue el Tratamiento 4, debido a que el Agua Residual Artificial (ARA) estuvo

más tiempo en contacto con los microorganismos logrando remover en un 71% la demanda

química de oxígeno. Se puede afirmar que es una remoción considerable teniendo en cuenta que

este tratamiento se llevó a cabo con la reducción de inyección de aire más baja de la investigación.

Por el contrario, el Tratamiento 2 presentó la remoción más baja de DQO debido a que el tiempo

de retención no fue suficiente para depurar la materia orgánica y sustancias inorgánicas existentes

en el agua residual artificial con la reducción de aire más baja.

Figura 7. Porcentajes de remoción DQO con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019


En la Figura 7, los valores porcentuales de remoción de materia orgánica, con base en los

diferentes tratamientos que se emplearon, donde el Tratamiento 4 presentó una remoción del 73%

de DBO, siendo esta la mayor de los 4 tratamientos, dado que los microorganismos estuvieron en

mayor contacto con agua residual artificial; en contra posición el Tratamiento 2 fue el menos

eficiente. Se puede afirmar que cuando los tiempos de retención hidráulicos son bajos, una

reducción por encima del 15% afecta negativamente la capacidad de los microorganismos para

degradar la materia orgánica.

El fenómeno por el cual la variación en los porcentajes de remoción entre tiempos de

retención entre tiempos de 6h y 3h está condicionado por las bacterias, teniendo en cuenta que son

bacterias aerobias facultativas, al ser sometidas a una reducción oxígeno con un mayor tiempo de

retención facilita la conformación de bacterias facultativas anaerobias, las cuales toman la energía

necesaria para su metabolismo del proceso de fermentación que se lleva a cabo en el licor de

mezcla. (Constanza, Antolinez, Bohórquez, & Corredor, 2015)

Figura 8. Porcentajes de remoción DBO con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019


Con respecto a los SST, se puede inferir que el sistema tuvo una respuesta optima ya que

3 de los 4 tratamientos tuvieron porcentajes de remoción altos, siendo el Tratamiento 4 con 94%

de remoción de SST el más alto (ver Figura 8), no obstante, durante el Tratamiento 3 hubo una

sobrecarga en el sedimentador, a raíz de esto se efectuó una purga en el sedimentador de esta

manera se controló los niveles de lodos, cabe aclarar que los datos fueron obtenidos después del

sedimentador.

Figura 9.Porcentajes de remoción SST con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019

En definitiva, el Tratamiento 1 fue el más efectivo para la remoción de DBO, DQO y SST

teniendo en cuenta que en las tres variables se obtuvieron porcentajes de remoción altos. (Ramos,

2017) en evaluación de un sistema de tratamiento de lodos activados para la remoción de carga

orgánica en las aguas residuales domésticas generadas en el Colegio San Viator demostró que al

operar con tiempos de retención hidráulicos entre 5-15 horas, se obtenían porcentajes de remoción

del 85% al 95%, siendo el sistema de lodos activados del tipo convencional, con base en lo anterior

el Tratamiento 1 representa la mejor alternativa en cuestión de disminución energética dado que

presenta un menor tiempo de retención y una reducción del 15% de inyección de aire.


Conclusiones

Tras describir y analizar los diferentes resultados obtenidos con la aplicación de cuatro

tratamientos se procede a concluir esta investigación de tal forma que sirva para futuras

investigaciones.

Concerniente a las condiciones operacionales: tiempos de retención hidráulico (TRH) e

inyección de aire, el sistema requiere un monitoreo constante para garantizar que estas variables

no sean alteradas por variaciones fortuitas como sobrecarga del biorreactor, colmatación del

sedimentador o en su debido caso una disminución en los flujos de aire y agua por parte del tanque

alimentador y Venturi. Para tener un sistema operando sin inconvenientes, se recomienda operar

con tiempos de retención de 3 horas, reducción del 15% y un sedimentador de 30 litros.

Para determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento basado en el ANOVA

se puede inferir que, en esta investigación, los tiempos de retención hidráulicos con respecto a las

tres variables sometidas al análisis de la varianza fueron DQO F= 0,971 Sig. = 0,428; DBO F=

0,032 Sig. = 0,874; SST F= 0,421 Sig.= 0,583, e inyección tiene dependencia en la eficiencia del

tratamiento con una variación mínima dado que el análisis de la varianza para DQO F= 0,574 Sig.

= 0,528; DBO F= 60,840 Sig. = 0,016; SST F= 1,459 Sig.= 0,351.

En cuanto a la eficiencia de la remoción en función de los parámetros analizados: DBO,

DQO y SST, con base en los resultados obtenidos se puede afirmar que el tratamiento más

adecuado de esta investigación fue el Tratamiento 1 ya que las concentraciones de salida de las

tres variables analizadas tuvieron un porcentaje de remoción significativo superior al 65% con

respecto al valor de entrada 283,836 mg/L de DBO, 368,618 mg/L de DQO y 270 mg/L de SST,

durante todo el tratamiento.

Se concluye de manera general que durante esta investigación las reducciones de aire en el

sistema solo pueden llegar a ser eficientes con tiempos de retención mayores al calculado, debido

a que las bacterias lentifican su metabolismo cuando estas no consiguen adicionar oxígeno a los


procesos catabólicos, por ende, tardan más tiempo en consumir la materia orgánica. (Constanza,

Antolinez, Bohórquez, & Corredor, 2015). Basándose en la resolución 631 del 2015 este sistema

cumple con las concentraciones en el punto de vertimiento.

Este sistema presurizado opera sin necesidad de un equipo de oxigenación, siendo esta la

gran diferencia con respecto a los sistemas convencionales, de tal forma que evita un gasto

energético adicional para el funcionamiento del mismo.


Recomendaciones

Los sedimentadores suelen acumular coloides en el fondo, por ende, se recomienda realizar

una purga de lodos para evitar la colmatación del mismo y tomar valores errados en este punto.

Para futuras investigaciones en biorreactores presurizados se recomienda hacer

reducciones en la inyección de aire solo si se aumentan los tiempos de retención hidráulicos, con

el fin de investigar hasta qué punto los lodos activados son eficientes en la remoción de DBO,

DQO y SST.

Aunque el presente estudio empleo métodos indirectos para medir la capacidad de

consumo y capacidad de remoción de materia orgánica, se sugiere realizar recuento de unidades

formadoras de colonia (UFC) semanales y la identificación hasta género de la microbiota presente,

para determinar efectivamente el rendimiento de biomasa frente al consumo de sustratos, lo que

permitiría optimizar los tiempos de retención y la remoción de contaminantes., sin embargo, en

este sistema empleado la eficiencia siempre se mantuvo en la remoción de materia orgánica.


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Anexos

Anexo 1. Cálculos de diseño del reactor de lodos.

1. Caudal de alimentación

𝑄 = 𝑉

𝑇𝑅𝐻

Donde:

Q= Caudal

V= Volumen del reactor

TRH= Tiempo de retención hidráulico

Se calculó el caudal para los tiempos de retención empleados durante esta investigación:

𝑄 = 142 𝐿

3 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 47,33

𝐿

ℎ= 1,136

𝑚3

𝑑𝑖𝑎

𝑄 = 142 𝐿

6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 23,66

𝐿

ℎ= 0,568

𝑚3

𝑑𝑖𝑎

2. Carga orgánica

La carga orgánica es igual al producto del caudal respecto a la DBO de entrada

𝐾 = 𝑄 × 𝑆𝑜

Donde:

K= Carga orgánica

Q= Caudal

So= DBO de entrada


𝐾 = 1,136 𝑚3

𝑑í𝑎× 300

𝐾𝑔

𝑚3= 340,8

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑚3×𝑑í𝑎

3. Carga orgánica volumétrica

𝐶𝑂𝑉 =𝐾

𝑉

Donde:

K= Carga orgánica

V= volumen del reactor

𝐶𝑂𝑉 =340,8

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂

𝑑í𝑎

0,142 𝑚3=2400

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑚3×𝑑í𝑎

4. Caudal de purga

𝑄𝑤 =𝑉 × 𝑋

𝜃𝑐 × 𝑋𝑟

Donde:

Qw= Caudal de purga


X= Solidos Suspendidos Volátiles (microorganismos) en el reactor

θc = Edad de lodos (tiempo medio de retención celular)

𝑄𝑤 =0,142 𝑚3 × 3000 𝐾𝑔/𝑚3

10 𝑑í𝑎𝑠 × 10000 𝐾𝑔/𝑚3= 0,0048

𝑚3

𝑑í𝑎

5. Concentración en el efluente

𝑆 =𝐾𝑆(1 + 𝐾𝑑𝜃𝑐)

𝜃𝑐(𝑌 ∗ 𝐾 − 𝐾𝑑) − 1

Donde:

θc = Edad de lodos (tiempo medio de retención celular)

Constantes cinéticas

PARÁMETRO VALOR

Intervalo Típico

Y (mg SSV/mg DBO) 0.4-0.8 0.6

Y (mg SSV/mg DQO) 0.25-0.4 0.4

Kd (d-1) 0.04-0.075 0.06

K (d-1) 26.4

Ks (d-1) 120


𝑆 =120 × (1 + 0,06 × 10)

10 × (0,6 × 26,4 − 0,06) − 1= 1,22 𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂

6. Tasa de utilización de sustrato específica

𝑈 =𝑄(𝑆0 − 𝑆)

𝑉𝑋

Donde:

U= utilización de sustrato

S0, S = DBO5 a la entrada y a la salida



𝑈 =1,28 × (300 − 1,22)

0,16 × 3000= 0,8

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂5𝑒𝑙𝑖𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜𝑠

𝐾𝑔𝑆𝑆𝑉𝐿𝑀 𝑑í𝑎

7. Relación alimento/microorganismos

𝐴

𝑀=

𝑆0

𝜃𝑋

Donde:

A/M= Alimento/microorganismos

S0= DBO5 a la entrada

𝜃= Tiempo de retención celular (3 horas = 0,125 días)


𝐴

𝑀=

300 𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂/𝑚3

0,125 𝑑í𝑎𝑠 × 3000 𝐾𝑔/𝑚3= 0,8

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠

𝐾𝑔𝑆𝑆𝑉𝐿𝑀 𝑑í𝑎

8. Recirculación de lodos

𝑅 =𝑄𝑟

𝑄∗ 100

Donde:

R= Recirculación

Qr= Caudal de recirculación (25%)

Q= Caudal de entrada al reactor

𝑅 =0,284 𝑚3/𝑑í𝑎

1,136 𝑚3/𝑑í𝑎× 100 = 25%


9. Producción de lodos

𝑃𝑥 =𝑉. 𝑋

𝜃𝑐

𝑃𝑥 =0,142 × 3000

10= 42,6

𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂

𝑑í𝑎

Anexo 2.


Fuente: Rojas, 2018.

Anexo 3. Tabla de datos Excel.

PARAMETRO Demanda química de oxigeno

(mg/l)

EXPERIMENTO DATO 1 2

Tratamiento 3TRH 6h (-15%) Entrada 368,618 368,618 368,618

Salida 104,104 139,751 121,928


Salida 80,610 133,675 107,142

Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 368,618 368,618 368,618

Salida 110,991 119,497 115,244


Salida 256,007 209,424 232,716

PARAMETRO Solidos suspendidos totales (mg/l)


Tratamiento 3TRH 6h (-15%) Entrada 270 270 270

Salida 290 310 300


Salida 20 15 17,5

Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 270 270 270

Salida 60 65 62,5


Salida 140 10 75

y = -810,15xR² = 0,964

0

100

200

300

400

500

-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -1E-15

DQ

O (

mg/

L O

2)

Absorbancia

Curva Patrón DQO (Rango 0-450 mg/L O2) a 500 nm Solución de K2Cr2O7 (0,1 N)

DQOPatron


PARAMETRO Demanda biológica de oxígeno

(mg/l)



Salida 86,160 105,608 95,884


Salida 62,070 92,930 77,500

Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 283,836 283,836 283,836

Salida 73,463 90,013 81,738


Salida 197,126 141,256 169,191

PARAMETRO Potencial de hidrogeno (pH)


TRH 6h (-15%) Entrada 7,1 7 7,05

Salida 7 7 7

TRH 6h (-30%) Entrada 7,1 7 7,05

Salida 7 7 7

TRH 3h (-15%) Entrada 7,2 6,8 7

Salida 6,9 6,9 6,9

TRH 3h (-30%) Entrada 7,2 6,8 7

Salida 6,9 6,9 6,9

PARAMETRO Oxigeno disuelto (mg/l)

EXPERIMENTO DATO

TRH 6h (-15%) Entrada 4,37

Salida 4,44


Salida 4,46


Salida 3,35


Salida 3,36


PARAMETRO Temperatura ( ̊c)

EXPERIMENTO DATO

TRH 6h (-15%) Entrada 27

Salida 27

TRH 6h (-30%) Entrada 27

Salida 27


Salida 28,5


Salida 28,5

EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 1

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