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UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
PROFESORES: Dra. María Cristina Diez Dr.-Ing. Cristian Bornhardt
INTEGRANTE:
Gerhard Schleenstein
ABRIL 2002
Agradecimientos
i
Agradecimientos
caminando, caminando / voy buscando libertad ojalá encuentre camino / para seguir caminado ojalá encuentre camino / para seguir caminado (Víctor Jara)
Agradecimientos al Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel de la Universidad Técnica de Berlín, quien hizo posible la estancia en Chile por otorgar la beca del Programa ALFA de la Unión Europea; al Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de La Frontera de Temuco (UFRO), Dra. María Cristina Diez y Dr.-Ing. Cristian Bornhardt, por guiar el trabajo; al Jefe de Suministros y Medio Ambiente de la Compañía Cervecerías Unidas (C.C.U.) S.A. Planta Temuco, Mauricio Pérez y sus colaboradores; a Jorge Cabrera, Jorge Ross y a las analistas del Laboratorio de RILes UFRO, por su ayuda en la concreción del presente trabajo; y a las compañeras y compañeros de la carrera de Ingeniería Ambiental, quienes me han acompañado y apoyado en el camino y en la búsqueda de una salida cuando la realización del proyecto estuvo extraviada.
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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Resumen
Abstract A first set up of an coupled anaerobic-aerobic treatment plant for liquid residues on laboratory scale was carried out. Functionality and operation of the plant were evaluated and verified by employing liquid industrial residues of a brewery industry, through controlling operation parameters such as volumetric and sludge loads, nutrients, pH, temperature, aeration-agitation, sludge return and discharge. High dissolved organic loads, a good biodegradability and susceptibility to failure of nutritional balance characterize these residues. In the case of the local brewery plant, the following average parameters were reported: CODtotal = 2750 mg/L, BOD5/COD ratio of 0,63 and TSS = 375 mg/L. All measurements were based on standard methods.
The coupled anaerobic-aerobic treatment plant consists in an UASB anaerobic reactor, a traditional activated sludge system, and measurement instruments for temperature, pH and dissolved oxygen, that permit their automatic adjustment. Obtained data is transferred by an controller (RTU) to a personal computer for its afterward use. After inoculation and set up, the plant was operated during six weeks, while reducing hydraulic retention time of the aerobic phase from 24 to 4,2 h. The heating system of the UASB showed weaknesses, which in combination with low pH of the crude feed led to removal efficiencies for the organic load of only 15 to 70%. Subsequently, operating parameters like volumetric and sludge load of the activated sludge were subject to heavy changes, leaving its optimal operation ranges. Light flocs and drastic bulking problems were observed, with a SVI reaching 1000 mL/g and decrease of MLVSS below 1000 mg/L, which limited plant operation and made a new inoculation necessary. Despite of this, removal efficiencies for the organic load of up to 92% in the aerobic phase were reached, resulting in a total efficiency of about 97% for the entire plant, apparently independent of the employed loads.
Changes of the electric and electronic configuration of the plant were carried out, but besides necessary pH sensors, it is necessary to invest in the heating system of the anaerobic reactor and acquisition of additional peristaltic pumps, that are able to work autonomously through extended periods. There was no way to connect the control unit RTU, wherefore it was returned to the manufacturer, what made nearly impossible its deep analysis. RTU’s internal programming design is proposed such way, that it can store measured data throughout extended periods and guarantee autonomous operation of the plant, lacking presence of PC and of the controlling and data visualizing RTU-Terminal program. Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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Resumen
Resumen Se realizó la puesta en marcha de una planta combinada anaerobia-aerobia a escala de laboratorio para el tratamiento de residuos líquidos. Se evaluó y verificó el funcionamiento y comportamiento de la planta usando un RIL tipo de la industria cervecera, controlando los parámetros de operación: carga volumétrica, carga másica, nutrientes, pH, temperatura, aireación-agitación, reciclo y descarte de lodos. Estos RILes se caracterizan por un alto contenido de materia orgánica disuelta, una buena biodegradabilidad y una predisposición al desequilibrio nutricional. En el caso de la planta cervecera local, Chile, se reportan valores promedio de DQOtotal = 2750 mg/L, una razón de DBO5/DQO de 0,63 y SST = 375 mg/L. Las mediciones se realizaron según metodologías normalizadas. La planta secuencial anaerobia-aerobia consta de un reactor anaerobio tipo UASB y un sistema de lodos activados tradicional; cuenta con medidores de T°, pH, OD y dispositivos para su ajuste automático. Los datos obtenidos por los medidores son transferidos a través de un controlador (RTU) para su posterior utilización a un PC. Luego de inocular y poner la planta en marcha se operó durante seis semanas, disminuyendo el TRH de la fase aerobia de 24 a 4,2 h. La planta mostró fallas en el sistema de calentamiento del UASB que, junto con bajos pH en la alimentación cruda, llevaron a rendimientos de remoción de la carga orgánica de entre un 15 y 70% solamente. Subsecuentemente, los parámetros de operación del sistema de lodos activados - carga volumétrica y carga másica - cambiaron fuertemente, abandonando sus rangos óptimos de operación. Se observó flóculos livianos y un problema de Bulking gravísimo, con IVLs de hasta 1000 mL/g y una disminución de los MLVSS bajo los 1000 mg/L, que agravaron la operación de la planta e hicieron necesaria una nueva inoculación. Se logró eficiencias de remoción de la carga orgánica de hasta 92% para la fase aerobia, dando como resultado un 97% de rendimiento total, aparentemente independientes de las cargas aplicadas. Se realizaron cambios en la configuración eléctrica y electrónica de la planta, pero es necesario efectuar inversiones para lograr su máxima funcionalidad en los campos del sistema de calentamiento del reactor anaerobio, adquisición de bombas peristálticas adicionales adecuadas para un funcionamiento autónomo durante periodos de tiempo prolongados, y los sensores necesarios de pH. No se logró conectar la unidad de control RTU, por lo cual fue devuelta al fabricante, situación que hizo casi imposible un análisis profundo. Se propuso un diseño de programa interno de la RTU de tal modo que pueda almacenar los datos de medición durante periodos prolongados, para garantizar la operación autónoma de la planta sin presencia del PC y del programa controlador y visualizador RTU-Terminal. Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Índice
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Índice 1
Introducción y Objetivos ....................................................................................................... 1 1.1
Introducción............................................................................................................ 1
1.2
Objetivos ................................................................................................................ 2
1.2.1 Objetivos Generales .................................................................................................. 2 1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 2 2
Antecedentes ....................................................................................................................... 3 2.1
El Proceso de Lodos Activados .............................................................................. 3
2.1.1 Factores que influyen en el Proceso.......................................................................... 4 2.1.2 Parámetros de Control .............................................................................................. 5 2.2
El Problema del Bulking.......................................................................................... 6
2.2.1 Factores que influyen en el fenómeno ....................................................................... 7 2.2.2 Posibles Soluciones ................................................................................................ 10 2.3
Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales ....................................................... 11
2.3.1 Metabolismo Anaerobio........................................................................................... 11 2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo Anaerobio................................................ 13 2.3.3 Reactor UASB ......................................................................................................... 14 2.4
Industria Cervecera y Tratamiento de RILes......................................................... 18
2.4.1 Elaboración de Cerveza .......................................................................................... 18 2.4.2 Elaboración de Gaseosas........................................................................................ 19 2.4.3 Generación y Composición de RILes....................................................................... 19 2.4.4 Características del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta Cervecera local
................................................................................................................................ 22
2.4.5 Técnicas del Tratamiento de RILes ......................................................................... 25 2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera local.............................. 26 3
Materiales y Métodos ......................................................................................................... 30 3.1
Descripción de la Planta ....................................................................................... 30
3.1.1 Fase Anaerobia ....................................................................................................... 31 3.1.2 Fase Aerobia ........................................................................................................... 32 3.1.3 Temporizadores ...................................................................................................... 35 3.1.4 Bombas Peristálticas ............................................................................................... 35 3.2
Unidad de Control................................................................................................. 36
3.2.1 RTU......................................................................................................................... 36 3.2.2 RTU-Terminal.......................................................................................................... 36
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Índice
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3.3
Métodos Analíticos y Programa de Muestreo........................................................ 37
3.4
Operación de la Planta ......................................................................................... 40
3.4.1 Parámetros de Operación........................................................................................ 40 3.4.2 Suministro de Nutrientes Adicionales ...................................................................... 41 4
Resultados y Discusión...................................................................................................... 43 4.1
Funcionamiento de la Planta ................................................................................ 43
4.1.1 Fase Anaerobia ....................................................................................................... 43 4.1.2 Fase Aerobia ........................................................................................................... 47 4.2
Análisis de la Unidad de Control ........................................................................... 51
4.2.1 RTU......................................................................................................................... 51 4.2.2 RTU-Terminal.......................................................................................................... 53 4.3
Operación de la Planta con un RIL de la Industria Cervecera............................... 54
4.3.1 Descripción del Período de Operación .................................................................... 54 4.3.2 Caracterización de RILes Usados en la Planta........................................................ 55 4.3.3 Parámetros de Control ............................................................................................ 57 5
Conclusiones y Recomendaciones .................................................................................... 65
6
Nomenclatura..................................................................................................................... 67
7
Bibliografía ......................................................................................................................... 69 Anexo A
Análisis físico-químico ............................................................................................. I
Anexo B
Análisis Demanda Química de Oxígeno (DQO) ...................................................... II
Anexo C Análisis Sólidos Suspendidos (SS) ........................................................................ III Anexo D Parámetros de Operación......................................................................................IV Anexo E
Programación de los Temporizadores ....................................................................V
Anexo F
Diseño de la Placa Decantadora............................................................................VI
Anexo G Programación de los Medidores MONEC .............................................................VII Anexo H Descripción Breve del RTU-Terminal y las Configuraciones Apropiadas .............VIII
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Índice
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Índice de Figuras Figura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera ............................................................................................... 22 Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera ............................................................................................... 23 Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera............................................................................. 24 Figura 4: Planta acoplada anaerobia-aerobia utilizada en el proyecto....................................... 30 Figura 5: Planta con caudales y concentraciones relevantes .................................................... 37 Figura 6: Modificación de la placa decantadora ........................................................................ 44 Figura 7: Tiempo de servicio para distintos modos de trabajo de las bombas peristálticas ....... 45 Figura 8: Influencia del número de revoluciones del impulsor sobre la concentración del oxígeno disuelto durante fallas de difusores ........................................................................... 48 Figura 9: Memoria requerida de la RTU para guardar los datos de muestreo durante los días de funcionamiento autónomo a distintas frecuencias de medición ................................. 53 Figura 10: DQOtotal durante el período de operación ................................................................. 59 Figura 11: SSTAE, SSVAE y IVL durante el período de operación............................................... 61 Figura 12: SST y SSV en los Caudales de la Alimentación Cruda, Entrada AE y Salida Clarificador................................................................................................................ 62 Figura 13: Parámetros de control (CVAN, CVAE y F/M) durante el período de operación ............ 64
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Índice
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Índice de Tablas Tabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales (Wagner, 1982) ............................................................................................................ 9 Tabla 2: Carga volumétrica aplicable y flujo ascendente máximo para reactores UASB .......... 17 Tabla 3: Características de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996) ........... 20 Tabla 4: Parámetros de diseño del RIL de la planta cervecera local (Kristal, s/a)..................... 21 Tabla 5: Concentración de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biológico de la planta cervecera local ......................................................................... 25 Tabla 6: Valores referenciales de diseño de reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes en la industria cervecera (Böhnke et al., 1993)................................................. 25 Tabla 7: Características de las bombas peristálticas................................................................ 35 Tabla 8: Puntos y técnicas de muestreo................................................................................... 38 Tabla 9: Programa de muestreo............................................................................................... 38 Tabla 10: Niveles de Bulking, IVL y cantidad visible de filamentos (Wagner, 1982) ................. 40 Tabla 11: Relaciones geométricas para un fermentador estándar (según Vidal, 2000) y del tanque de aireación de la planta................................................................................. 49 Tabla 12: Caracterización de los RILes utilizados y los TRH empleados ................................. 56 Tabla 13: Análisis de la razón DQO:N:P de los RILes empleados durante el proyecto ............ 56 Tabla 14: Relaciones DBO5:DQO para distintas fases del tratamiento..................................... 60 Tabla 15: Remoción de nutrientes durante el proyecto ............................................................ 64
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Introducción y Objetivos
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1 Introducción y Objetivos 1.1 Introducción En Chile, la creciente conciencia frente a perjuicios al medio ambiente producidos por la actividad del ser humano culminó en marzo de 1994, en la promulgación de la Ley N° 19.300 de Bases del Medio Ambiente, marco jurídico que establece mediante normas y reglamentos, derechos y obligaciones que toda actividad industrial debe tomar en consideración, con la finalidad de proteger y preservar el medio ambiente. La Norma Chilena NCh 2280/1.c96 define además las características físico-químicas que deben cumplir descargas de residuos industriales líquidos a sistemas públicos de recolección de aguas. El Decreto Supremo Nº 609 regula los efluentes de las industrias a la red de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas servidas. Establece, además, los límites para 25 contaminantes.
En este marco, el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de La Frontera Temuco (UFRO) ha llevado a cabo numerosos estudios en cooperación con distintas industrias durante la última década. Su objetivo general y finalidad es el establecimiento de medidas internas de manejo y minimización de efluentes como la reducción de sustancias contaminantes de los Residuos Industriales Líquidos (RILes) generados y liberados a recipientes líquidos y al medio ambiente, además de estudiar alternativas de tratamiento.
En la actualidad el Laboratorio de RILes UFRO cuenta con una planta de tratamiento biológico acoplado que consiste en un reactor anaerobio tipo Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), junto a un sistema de lodos activados a escala de laboratorio, que puede ser utilizado para el estudio del tratamiento de RILes de distintas industrias y para fines de docencia.
Este informe tiene como finalidad documentar los resultados y experiencias de una primera puesta en marcha de dicha planta y proponer posibles mejoramientos al sistema a través de la operación de la planta con RILes de una industria cervecera.
El presente trabajo se realizó en la UFRO durante un intercambio estudiantil del proyecto B4 "Science and Engineering for Environmental Protection" del programa ALFA de la Unión Europea.
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Introducción y Objetivos
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1.2 Objetivos Los objetivos del presente trabajo, se desglosan en objetivos generales y objetivos específicos, detallados a continuación.
1.2.1 Objetivos Generales •
Poner en marcha la planta a escala de laboratorio de tratamiento de efluentes líquidos, verificando el funcionamiento de todos sus dispositivos
•
Evaluar el funcionamiento de la planta con un RIL tipo, controlando los parámetros de operación: carga volumétrica (CV), carga másica/factor de carga (F/M), nutrientes, pH, temperatura (T°), aireación-agitación, retorno y descarte de lodos.
1.2.2 Objetivos Específicos •
Verificar el funcionamiento correcto tanto de los medidores de oxígeno disuelto (OD) y de pH, como de sus ajustes automáticos en el tanque de aireación a través de un compresor de aire y la adición de ácido respectivamente
•
Conectar los medidores a la unidad de control RTU y establecer la comunicación con el programa de control RTU-Terminal
•
Evaluar las capacidades de presentación de datos de medición del RTU-Terminal
•
Documentar la programación correcta de los parámetros más importantes de los medidores, de la RTU y del RTU-Terminal
•
Llevar a cabo los cambios necesarios en la configuración de la planta, añadir los dispositivos requeridos y hacer propuestas para futuras configuraciones
•
Poner en marcha la planta con un RIL de la industria cervecera
•
Llevar a cabo un seguimiento completo de los reactores, determinando todos los parámetros necesarios para establecer las balances de masa: Sólidos suspendidos (SS), demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno durante cinco días (DBO5) y nutrientes (nitrógeno, fósforo)
•
Determinar la eficiencia de remoción de contaminantes alcanzada
•
Documentar los parámetros de control: Tiempo de residencia hidráulica (TRH), carga volumétrica, carga másica/factor de carga, Índice volumétrico de lodos (IVL).
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Antecedentes
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2 Antecedentes 2.1 El Proceso de Lodos Activados Entre los procesos secundarios o biológicos de tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, el proceso de lodos activados ha sido utilizado a partir de 1913, desarrollándose a partir de lagunas aireadas de estabilización (Wiesmann, s/a). El proceso de lodos activados es el más empleado para el tratamiento de residuos líquidos que presentan contaminación orgánica (Wagner, 1982). El proceso de lodos activados consiste en una población microbiana densa mezclada en suspensión con el agua residual bajo condiciones aerobias, donde tasas extremamente altas de crecimiento y respiración microbiana se llevan a cabo purificando el agua a través de la metabolización de la materia orgánica presente a productos finales inorgánicos oxidados como CO2 o NO3- y la biosíntesis de nuevos microorganismos. A diferencia de los antiguos procesos extensivos, se le llama intensivo por su característica de alcanzar elevadas concentraciones de lodos biológicos dentro de un tanque aireado, a través del empleo de una decantación secundaria junto al retorno de los lodos separados al tanque aireado. (Gray, 1990)
El proceso de lodos activados consiste en dos fases: la aireación y la decantación secundaria de los lodos. En la primera fase, el agua residual es introducida al tanque de aireación, el cual contiene la población microbiana; el aire es suministrado a través de aireadores que cumplen la doble función de mantener un nivel mínimo de oxígeno para la respiración microbiana en el medio y de mantener los flóculos microbianos en un estado continuo de suspensión agitada, asegurando de esa manera el contacto máximo entre la superficie de los flóculos y el agua residual. La mezcla continua no solo es importante para asegurar una adecuada alimentación, sino también para mejorar la transferencia de masa a través de un alto gradiente de concentración de oxígeno y para apoyar la difusión de productos metabólicos desde el centro de los flóculos. Cuando el agua residual entra al tanque de aireación, desplaza el licor mezclado hacia el clarificador. En esta segunda fase, la biomasa floculenta decanta rápidamente de la suspensión, formando lodos espesados y dejando el efluente completamente libre de sólidos, el cual es descargado subsecuentemente como efluente final. La mayor parte de los lodos espesados es retornada al tanque de aireación, donde actúa como inóculo de microorganismos, asegurando una concentración suficiente y adecuada para la oxidación del agua residual
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Antecedentes
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durante su retención dentro del tanque de aireación. Los lodos en exceso son purgados del clarificador y enviados a su posterior tratamiento. (Gray, 1990)
2.1.1 Factores que influyen en el Proceso Existe una variedad de factores que influyen en el metabolismo aerobio, siendo los más importantes en la práctica: la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno disuelto y la composición de sustrato. •
Temperatura La cinética de un proceso biológico, según la ley de Arrhenius, depende de la temperatura en que éste se desarrolla. Además incide sobre la velocidad de transferencia de gases, la concentración máxima de equilibrio de oxígeno disuelto y las características de sedimentación de los flóculos, debido a la influencia sobre la viscosidad del agua. (Metcalf & Eddy, 1995; Ronzano et al., 1995)
•
pH El pH óptimo del licor para un adecuado funcionamiento está comprendido entre 6,5 y 8,5. El RIL que entra al sistema de lodos activados es diluido con los contenidos del tanque de aireación y neutralizado por el CO2 producido por la respiración microbiana. El bicarbonato resultante presenta buena capacidad de buffer alrededor de pH 8,0 y en el caso de su mantenimiento este pH no variará aun bajo suministro de efluentes ácidos o básicos. (Eckenfelder, 1989)
•
Concentración de oxígeno disuelto Dentro de las propiedades de transferencia de masa, el oxígeno es fundamental y generalmente la etapa controlante de la velocidad del proceso. Desde del punto de vista ingenieril determinar la capacidad de aireación de un equipo es fundamental para su funcionamiento y para la optimización de costos, siendo imprescindible la determinación de factores asociados a la aireación. (Ramalho, 1993) Generalmente se intenta garantizar una concentración límite de oxígeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga másica aplicada (Ronzano et al., 1995).
•
Composición de sustrato y equilibrio nutricional La actividad biológica de los lodos y sus propiedades con respecto a la decantación son afectadas por la composición del agua residual. En sistemas convencionales de lodos activados se requiere una tasa de DBO5:N:P de 100:5:1 para mantener el balance de nutrientes óptimo para la actividad heterotrófica de los microorganismos (Gray, 1990). Se
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Antecedentes
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considera un agua desequilibrada cuando esta tasa no es alcanzada (ATV, 1975; ATV, 1985; Matsché et al., 1998; Ronzano et al., 1995; Wagner, 1982).
2.1.2 Parámetros de Control Los parámetros de control son la edad de lodos y la carga de alimentación aplicada, los que deben mantenerse dentro de ciertos rangos establecidos para un tipo de agua residual en particular. Este control se logra regulando adecuadamente el caudal de recirculación y el descarte o purga de lodos. •
Sólidos suspendidos La concentración de sólidos suspendidos en el licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS) es una manera primaria de evaluar la biomasa activa en el tanque de aireación. Como parte de los MLSS son inorgánicos, se expresa la biomasa a través de la fracción orgánica, o sea sólidos suspendidos volátiles del licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Volatile Suspended Solids, MLVSS). Concentraciones normales de MLSS varían entre 1500 a 3500 mg/L para unidades convencionales y hasta 8000 mg/L en unidades especiales (Gray, 1990). Para plantas de tratamiento de RILes de la industria cervecera se emplean concentraciones de MLSS entre 1500 a 4000 mg/L, y como valor promedio una concentración de 2500 mg/L (Rosenwinkel et al., 1996).
•
Edad del lodo La edad del lodo o el tiempo de residencia celular (TRC) afecta el carácter y las condiciones de los flóculos dentro del tanque de aireación y es un factor operacional de control de la actividad de los lodos, por su influencia recíproca a la velocidad de crecimiento específico celular. Unidades convencionales sin nitrificación trabajan a TRC de 3-4 días, el cual puede extenderse hasta 30 días en unidades de aireación prolongada. (Ronzano et al., 1995)
•
Factores de carga Es útil expresar cargas en términos de DQO o DBO5 aplicada por unidad de volumen del tanque (CV) si hay aguas residuales de cargas variables. En tratamientos convencionales de lodos activados la CV está comprendida entre 0,4 hasta 1,5 kg DBO5/(m3*d) y en el régimen de aireación prolongada de solamente 0,03 a 0,15 kg DBO5/(m3*d) (Gray, 1990; Rosenwinkel et al., 1996). El factor de carga (F/M) de los lodos es muy útil para el control del proceso de lodos activados y es un parámetro manipulable. Se refiere a la relación entre la materia orgánica del afluente y la cantidad de microorganismos en el reactor para degradar este sustrato (Ramalho, 1995). Para la mayoría de las aguas residuales el valor
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Antecedentes
óptimo
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de
la
relación
F/M
se
encuentra
dentro
de
los
límites
de
0,3
a
0,6 kg DBO5/(kg MLVSS*d) (Ramalho, 1995). Este se puede reducir hasta por debajo de 0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) en la modalidad de aireación prolongada (Rosenwinkel et al., 1996).
2.2 El Problema del Bulking Para un buen funcionamiento del proceso son necesarias buenas propiedades de los lodos sobre todo el crecimiento floculento de los microorganismos. Los flóculos no solo tienen que ser eficientes en la adsorción y absorción subsecuente de la fracción orgánica del agua residual, sino tienen que ser separados rápidamente y efectivamente en el decantador secundario.
De tal modo, se suele definir distintos problemas de proceso relacionados con la calidad del lodo. • Espumas o lodos flotantes están constituidos por burbujas pequeñas a las cuales son agregados microorganismos y sustancias tensoactivas. Condición previa para la formación de aquellas burbujas es la existencia de sustancias superficialmente activas y de estabilizadores que se concentren en la interfase agua/gas. Espumas blancas causadas por sustancias tensoactivas no son persistentes, en contraposición a las espumas negras formadas por microorganismos como Microthrix parvicella, Nostocoida sp., actinomicetos del género Nocardia, entre otros. (ATV-AG 1988; Lemmer et al., 1998) • Pin-Point describe la situación de flóculos ligeros y pequeños, sin la presencia de organismos filamentosos, o de bajo número, que no perturban la decantación y el espesamiento, expresado por un bajo IVL. Sin embargo, el sobrenadante queda turbio. Este fenómeno de crecimiento disperso ocurre cuando la concentración de sustrato es muy baja o muy alta. (Ronzano et al., 1995) • Bulking se llama a la presencia predominante de organismos filamentosos en flóculos resistentes y grandes que perturban la decantación y espesamiento, expresado por un alto IVL, mientras el sobrenadante queda claro (Ronzano et al., 1995). Otra forma menos observada, es el llamado Bulking extremadamente mucoso. Los flóculos voluminosos en este caso no son causados por microorganismos filamentosos, sino por bacterias de la familia Zooglea y fácilmente evitables. (Li, 1993)
Puede considerarse que el Bulking empieza cuando comienzan los problemas de decantación, debido a una insuficiente velocidad de sedimentación de los flóculos. Generalmente, los lodos
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Antecedentes
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activados se suponen en Bulking cuando el IVL supera los 150 mL/g (ATV-AG, 1988; Matsché et al., 1998). Ronzano et al. (1995) define como valor umbral un IVL de 200 mL/g. Otro indicador empleado es la relación MLVSS/MLSS. Los valores críticos son superiores a 0,75, mientras a valores inferiores a 0,6 no aparece el Bulking (Wagner, 1984).
Estudios estadísticos en Alemania han demostrado que más de la mitad de las plantas de purificación basadas en un sistema de lodos activados de una sola etapa, a veces presentan mal funcionamiento causado por el Bulking (Wagner, 1982). Ronzano et al. (1995) indican que el 40% de las plantas de depuración presentan Bulking durante períodos de tiempo muy variables, y a veces en continuo. En la industria agroalimentaria la situación es peor, y casi todas las plantas en alguna ocasión han sufrido Bulking.
2.2.1 Factores que influyen en el Fenómeno Un sistema de lodos activados se puede caracterizar como ecosistema abierto, en el cual los distintos organismos compiten por alimento. En este ambiente, el suministro de sustrato junto a diferentes
propiedades
morfológicas,
fisiológicas
y
cinéticas
de
crecimiento
entre
microorganismos filamentosos y microorganismos formadores de flóculos conducen a distintas velocidades específicas de crecimiento y determinan sus relaciones proporcionales en los lodos activados. Sin embargo, las causas del Bulking todavía carecen de esclarecimiento (Li, 1993).
Son dos las hipótesis sobre la formación del Bulking (según Li, 1993): • Relación superficie/volumen Los filamentos sobresalientes en los flóculos tienen una relación superficie/volumen más elevada que un flóculo compacto y pueden así captar mejor el oxígeno o nutrientes disueltos, lo que lleva a una mayor velocidad de crecimiento específico. En cambio, las aguas residuales ricas en partículas suspendidas favorecen a los formadores de flóculos, ya que los microorganismos filamentosos no pueden utilizar aquellas como alimentos y no pueden aprovechar su gran superficie. Wagner (1982) añade que los formadores de flóculos poseen una mejor variedad de enzimas para romper estructuras complejas hacia moléculas pequeñas, capaces de ser absorbidas por las células. • Efecto selectivo de sustancias nocivas Las distintas sustancias nocivas perjudican de manera diferente los microorganismos filamentosos y los formadores de flóculos. Se ha demostrado por ejemplo, que la alta concentración de fenol favorece el Bulking inhibiendo más los formadores de flóculos. En
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Antecedentes
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cambio, el H2O2 presenta un efecto opuesto. Esta hipótesis se está aprovechando para combatir el Bulking. 2.2.1.1 Condiciones del proceso Se ha demostrado que la carga másica no es un buen indicador para la descripción del Bulking (ATV-AG, 1988). En una planta de lodos activados con cargas másicas de 0,3 a 0,5 kg DBO5/(kg MLVSS*d), el IVL puede variar entre 100 y 600 mL/g (Ronzano et al., 1995). Para valores inferiores a 0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) con RILes de la industria cervecera, se puede contar con un proceso estable y poca formación de lodos voluminosos (Seyfried, 1969). Chudoba et al. (1973) muestran una significativa dependencia del tipo de flujo hidráulico, con mejores IVL para la mezcla integral bajo cargas altas. Wagner (1982) encuentra un IVL máximo con cargas volumétricas entre 0,4 y 0,7 kg DBO5/(m3*d). Debido a que su superficie es relativamente mayor, los microorganismos filamentosos aprovechan mejor el oxígeno que los formadores de flóculos cuando su concentración es baja (Ronzano et al., 1995). El Bulking se presenta muchas veces por deficiencias de oxígeno, por ejemplo, como resultado de sobrecarga prolongada (Jenkins et al., 1993). Generalmente se intenta garantizar una concentración límite de oxígeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga másica aplicada (Ronzano et al., 1995).
En general, los gradientes de velocidad necesarios para obtener una oxigenación suficiente son bastante más elevados que los valores óptimos para producir una correcta floculación, y la destrucción de los flóculos - debido al sufrimiento de altas fuerzas en las bombas del sistema de recirculación - facilita el crecimiento de microorganismos filamentosos (Ronzano et al., 1995). 2.2.1.2 Tecnología de operaciones y procesos Se ha demostrado la predisposición de tanques de aireación con mezcla integral/perfecta al Bulking, en comparación con los de flujo pistón. En el fondo, los microorganismos filamentosos generalmente tienen valores de la velocidad máxima de crecimiento específico (µmax) y de la constante de saturación (KS) más bajos que los microorganismos floculentos. Además, concentraciones de sustrato disponibles menores a 10 mg/L en tipos de flujo hidráulico como el de mezcla integral favorecen a los microorganismos filamentosos, mientras que en partes importantes del recorrido del licor, en tanques con flujo pistón, la concentración de sustrato es
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Antecedentes
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alta y el crecimiento de los organismos floculentos es superior al de los filamentosos (Chudoba et al., 1973; Ronzano et al., 1995).
La reducción del tiempo de residencia hidráulica en la decantación primaria aumenta la concentración de partículas suspendidas, lo que conduce a una situación más favorable para los microorganismos floculentos, según la primera hipótesis sobre la formación del Bulking y, además, carga a los flóculos, aumentando su densidad (Wagner, 1982). Se ha reportado que el agua putrefacta, por permanecer tiempos prolongados bajo condiciones anóxicas, causa Bulking (Wagner, 1982; Li, 1993). Adicionalmente, al producirse ácidos orgánicos de cadena corta, el posible desarrollo de H2S puede fomentar el crecimiento de microorganismos filamentosos como Thiothrix sp. y Tipo 021N (Ronzano et al., 1995; Matsché et al., 1998). Igualmente desfavorables son los prolongados tiempos de residencia de los lodos en la decantación secundaria (Schlegel, 1986). 2.2.1.3 Composición del agua a tratar y equilibrio nutricional Las aguas sanitarias con contenidos orgánicos fácilmente degradables y disueltos, especialmente RILes que presentan altos porcentajes de hidratos de carbono de bajo peso molecular, azúcares y ácidos orgánicos, por ejemplo de la industria alimenticia, están predispuestos al Bulking (ATV-AG, 1988). Por razones todavía desconocidas, un desequilibrio en nutrientes favorece el Bulking.
La Tabla 1 presenta una estadística que relaciona el origen de las aguas servidas con el IVL observado y los microorganismos predominantes durante acontecimientos de Bulking.
Origen
IVL de 50%
IVL de 84%
Microorganismos predominantes
Aguas servidas domésticas
103
148
021N, M. parvicella, 0041
Destilería
103
191
021N, 0041, N. limicola
Industria cervecera
169
283
S. natans, 021N, 1701
Industria de papel
265
613
0041, 021N, actinomicetos
Tabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales (Wagner, 1982)
El valor de 50% corresponde al IVL que es superado durante seis meses del año, mientras el valor de 84% corresponde al IVL que es superado durante dos meses del año respectivamente.
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2.2.2 Posibles Soluciones Las posibles soluciones son muy variadas y dependen principalmente del problema concreto, de los microorganismos involucrados y del agua a tratar (Matsché et al., 1998). En su mayoría ellos intentarán evitar las condiciones desfavorables mencionadas en el capitulo anterior. Principalmente son factibles además cambios y medidas en las áreas que se describen a continuación: 2.2.2.1 Empleo de Productos Químicos Según Kroiss (1998), el empleo de productos químicos no es factible para garantizar a largo plazo propiedades mejoradas del lodo, sin embargo evitan evoluciones no agradables.
Para atacar los filamentos se está añadiendo oxidantes H2O2 (Schwarzer et al., 1980) o cloro (Jenkins et al., 1982) en la recirculación, pese a la generación de AOX (Matsché et al., 1998). El hierro es empleado en concentraciones entre 20 y 50 g Fe por m3 de agua, como agente de coagulación y floculación, para cargar artificialmente los flóculos y por su función como inhibidor a algunos organismos filamentosos (Ronzano et al., 1995; Li, 1993). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en una planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera añadiendo FeCl3 en una concentración de 1,16 mg Fe/L hasta lograr un porcentaje de 10% con respecto a los MLSS. Este actúa no solamente aumentando el peso específico de los flóculos, sino también ayuda a ligar el azufre en la formación de los pellets anaerobios y es un micronutriente para los microorganismos anaerobios.
Nutrientes adicionales como la urea, se usa para garantizar la relación óptima DBO5:N:P de 100:5:1 para los microorganismos heterótrofos (Li, 1993). 2.2.2.2 Tecnología de Operaciones y Procesos Se está evitando la formación del H2S disminuyendo los tiempos de residencia en la decantación primaria y/o una aireación previa en la entrada del tanque de aireación (Li, 1993). Para reactores con mezcla integral se está empleando un tanque selector (Ronzano et al., 1995). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en dicha planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera aumentado la tasa de recirculación de 200% a 400%.
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2.3 Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales En los últimos años se han desarrollado numerosos procesos para residuos de alto contenido en materia orgánica de aguas residuales: uno de ellos es el tratamiento anaerobio. Es uno de los procesos más antiguos empleados en la estabilización de la materia orgánica y sólidos biológicos. Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio reside en bajos costos de servicio, debido a que no se emplean equipos de aireación, tienen un coeficiente de producción de biomasa inferior que los sistemas aeróbicos, por lo tanto una menor generación de lodos al operar cargas orgánicas superiores que para el caso de los procesos aeróbicos, lo que lleva a reactores más pequeños y por último en la producción de metano como potencial ventaja debido a su valor como combustible (Böhnke et al., 1993). Las desventajas del tratamiento anaerobio son principalmente el sistema complejo biológico, la regeneración lenta de la biomasa después de perturbaciones, la falta de la eliminación de los nutrientes como nitrógeno y fósforo y la necesidad del posterior tratamiento adicional del efluente, que sale del reactor (Kraut et al., 1996).
2.3.1 Metabolismo Anaerobio Bajo condiciones anaerobias, los microorganismos no pueden respirar, o sea oxidar sustancias orgánicas complejas, sino solamente fermentarlas, es decir, reducirlas. Aquellas sustancias como hidratos de carbono, proteínas o grasas son transformadas a productos intermedios como ácidos orgánicos o alcoholes de alto contenido de energía. Hay que pretender su completa transformación al llamado “biogás” (CH4, CO2), lo que lleva a su remoción del agua y su purificación. Según conocimientos actuales, la fermentación de metano se desarrolla en cuatro pasos consecutivos bajo participación de distintos grupos de microorganismos (Böhnke et al., 1993): •
Hidrólisis: Transformación por vía enzimática de los compuestos polímeros de alto peso molecular a compuestos disueltos, de bajo peso molecular.
•
Acidificación: Descomposición de los compuestos orgánicos por bacterias anaerobias facultativas y anaerobias estrictas a ácidos orgánicos de cadena corta, alcoholes, H2 y CO2.
•
Acetogénesis: Ácidos orgánicos y alcoholes son transformados a ácido acético, H2 y CO2.
•
Metanogénesis: Conversión de ácido acético, H2 y CO2 en metano por bacterias metanogénicas estrictamente anaerobias.
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Como se trata de pasos consecutivos, la transformación de sustancias orgánicas en metano se lleva a cabo a la velocidad a la cual el sustrato utilizable por las bacterias metanogénicas es producido. En general, los pasos de acidificación y la metanogénesis a partir del acetato, no provocan dificultades. Desde este punto de vista, la fase de acetogénesis es la limitante de la velocidad para la conversión final, sobre todo en la fermentación de polímeros fácilmente degradables. Como la cantidad y composición del biogás es afectada por la concentración de sustratos convertibles en metano, es factible deducir la actividad de la acetogénesis de la producción del gas (Böhnke et al., 1993).
Para cualquier sustancia orgánica, se puede formular las reacciones de la siguiente manera (Roedinger, 1967): CcHhOoNnSs + y H2O → x CH4 + (c - x) CO2 + n NH3 + s H2S donde: x = 1/8 * (4c + h - 2o - 3n - 2s) y = 1/4 * (4c - h - 2o + 3n + 2s)
Como los RILes de la industria cervecera presentan altos contenidos en hidratos de carbono y en proteínas (Böhnke et al., 1993), se obtiene: Hidratos de carbono: C6H12O6 → 3 CO2
+ 3 CH4
(50% : 50%)
Proteínas:
C13H25O7N3S + 6 H2O → 6,5 CO2 + 6,5 CH4 + 3 NH3 + H2S (38%
:
38%
:
18% : 6%)
El sulfuro de hidrógeno se combina con el hierro de los lodos, lo que da a los lodo anaerobios su color negro característico. Además, cada molécula de amoniaco se combina con una molécula de dióxido de carbono, lo que lleva finalmente a la razón del gas saliente CH4:CO2 = 71%:29%.
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2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo Anaerobio Existe una variedad de factores que influyen en el metabolismo anaerobio, siendo los más importantes en la práctica la temperatura, el pH y la composición de sustrato. 2.3.2.1 Temperatura De las leyes de la termodinámica se puede deducir que la velocidad de reacciones químicas aumenta a temperaturas ascendentes. Esto tiene su limitación para el caso de las reacciones bioquímicas, cuando temperaturas altas inhiben la actividad del metabolismo microbiano normal. Lo que resulta, es un rango óptimo de la temperatura, dependiendo del organismo. Los formadores de metano y los microorganismos que forman parte en la hidrólisis son termosensibles y mayoritariamente forman parte de los organismos mesófilos, con un rango óptimo de 30 a 40 °C con su máximo entre 35 y 37 °C. (Böhnke et al., 1993) 2.3.2.2 pH El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un pH óptimo, ya que la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH, lo que implica, sobre todo para RILes, la necesidad frecuente de corrección anticipada del pH. La estabilidad del proceso anaerobio depende además de la capacidad buffer dentro del reactor. Como la fermentación se lleva a cabo a través de ácidos orgánicos como productos intermedios, su concentración influye fuertemente en el pH, sobre todo con sustratos de baja capacidad buffer (Böhnke et al., 1993). La reducción del pH inhibe la formación de metano, lo que hace necesario la implementación de contramedidas como la reducción de la carga volumétrica, el aumento del pH a través de agentes como Ca(OH)2, Na2CO3 o NaOH, e incluso la medida de añadir agua de dilución (Kroiss, 1986). 2.3.2.3 Composición de Sustrato Los microorganismos necesitan el sustrato como fuente de energía y para sintetizar material celular. Las condiciones óptimas de nutrientes predominan con valores de DQO:N:P = 800:5:1 y azufre en concentraciones bajas (ATV-FA, 1990), pese a que la cuantificación a través de la DQO suma todas las sustancias oxidables y no solo las orgánicas: tampoco dice nada sobre la degradabilidad y disponibilidad (Böhnke et al., 1993).
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El suministro de hierro en forma de FeCl3 es practicado muchas veces debido a su carácter de micronutriente, coagulante e interceptor del H2S. Un valor de referencia en la industria cervecera es 1,16 mg Fe/L (Rosenwinkel et al., 1996).
Algunas sustancias tienen un potencial inhibitorio o tóxico sobre los microorganismos, dependiendo principalmente de su concentración. •
Oxígeno: Tóxico para anaerobios estrictos, sin embargo no tiene relevancia en la práctica (Böhnke et al., 1993).
•
Azufre: El sulfuro de hidrógeno es tóxico y es la forma presente a pH bajos (50% a pH 7, 90% a pH 6). Concentraciones elevadas de sulfato inhiben los microorganismos metanogénicos, debido a falta de sustrato como consecuencia de la competencia con bacterias desulfuricantes. En la práctica se puede observar la concentración de H2S en el biogás y tomar contramedidas, en el caso de concentraciones elevadas, aumentado el pH, añadiendo sales de hierro, reduciendo la carga volumétrica y/o diluyendo el efluente (Kroiss, 1986).
•
Ácidos orgánicos: Tienen un efecto inhibitorio (ver cap. anterior)
•
Metales pesados: Pueden estar presentes en RILes, dependiendo de la industria. La literatura (Böhnke et al., 1993) menciona una variedad de valores umbrales para procesos anaerobios.
2.3.3 Reactor UASB A mediados de los años ’70, el desarrollo de reactores anaerobios modernos de alta eficiencia fue empujado por la implementación de reactores de manto de lodo de flujo ascendente (Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB) por Lettinga et al. (1980) y van der Meer (1979). Estos reactores de la llamada segunda generación presentan tiempos de residencia celular (TRC) superiores e independientes a los tiempos de residencia hidráulica (TRH) en comparación a los reactores tradicionales de la primera generación, que carecen de una retención de los lodos, en donde TRH = TRC. Los reactores UASB están caracterizados por la retención interna de los lodos a través de un sistema de separación trifásico en la parte superior del reactor, que actúa por sedimentación independiente, o sea por la fuerza de gravedad. Además se distingue de los demás reactores de segunda generación por sus lodos que están formados por gránulos de lodo, los llamados “pellets”, los cuales no contienen ningún tipo de relleno para soportar el crecimiento biológico. Las ventajas que presenta el UASB con respecto a otros sistemas anaeróbios son: su bajo costo de inversión, el volumen del reactor es pequeño, las
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fermentaciones ácidas y metánicas tiene lugar en el mismo reactor, el consumo de potencia es bajo ya que no se requiere de ninguna agitación mecánica, la retención de biomasa es muy buena y por lo tanto no es necesario reciclar los lodos y por último la concentración de biomasa a tratar es alta, por lo que el sistema es resistente a la presencia se sustancias tóxicas y fluctuaciones de carga. Su aptitud son aguas residuales o RILes de concentraciones bajas o medianas
(5 – 15 g DQO/L)
con
porciones
pequeñas
de
sólidos
suspendidos.
Su
funcionamiento y aptitud fue comprobado para una gran variedad de RILes y existen muchos estudios y documentos sobre su empleo, lo que hace su uso preferible a otras técnicas. (Böhnke et al., 1993)
En general, el agua residual entra por debajo del reactor, pasa por un distribuidor de flujo, atraviesa el lecho de lodo donde se produce la metabolización del sustrato, lo que lleva a la formación del biogás y el ascenso de burbujas y flotación de gránulos hacia la parte superior del reactor, donde se separan las tres fases: gas, líquido tratado, y biomasa en un separador trifásico, y el afluente tratado sale por la parte superior, al igual que el biogás se ve recolectado para su futuro uso, mientras los gránulos son retenidos y descienden hacia el lecho. La flotación de los gránulos se produce debido al entrapamiento de burbujas en el interior de los gránulos o debido a la adhesión de burbujas.
Según van der Meer (1979), con este tipo de reactores se puede llegar a altas eficiencias de purificación, siempre y cuando se cumplan los siguientes requerimientos: •
Formación de un sistema que consiste en un lecho de lodos y un manto de lodos.
•
Distribución uniforme del afluente en el fondo del reactor.
•
Mezcla de los contenidos del reactor a través del gas producido.
•
Efectiva separación de gas, efluente y biomasa.
2.3.3.1 Sistema Lecho de Lodos y Manto de Lodos La formación de los gránulos (pellets) es una importante condición para el servicio eficiente y económico de reactores de manto de lodo. Esto depende fuertemente de la composición del RIL, de la técnica de procedimiento utilizada y de la puesta en marcha. Normalmente se inoculará con lodos de un reactor existente. La biomasa en el UASB esta formada por gránulos de 3 a 4 mm con altas velocidades de sedimentación, de entre 2 a 70 m/h. La concentración de biomasa en el lecho alcanza valores de sólidos suspendidos totales (SST) de 75 a 150 kg/m3,
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siendo la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV) dentro del reactor de 10 a 50 kg/m3. (Böhnke et al., 1993)
Una posible acidificación completa interfiere negativamente en la formación de los gránulos, por lo cual Lettinga et al. (1990) mencionan tasas óptimas de acidificación entre un 20 a 40%. De esa manera se puede llamar al reactor UASB un sistema de una sola fase, en contrario a los de dos
fases,
donde
se
separa
en
dos
reactores
la
hidrólisis/acidificación
de
la
acetogénesis/metanogénesis. En la práctica, los procesos industriales discontinuos se deben equipar de un ecualizador que actúa como una primera fase debido a exigencias de seguridad del proceso bajo flujos y composiciones del RIL cambiantes, o la presencia por momentos de sustancias inhibitorias. 2.3.3.2 Distribución Uniforme El uso de un número limitado de puntos de entrada, junto al hecho que el afluente tiene una densidad inferior comparado con el lecho de lodo, hace resultar en un flujo preferencial a través del lecho, lo que lleva a canales, cortocircuitos y áreas muertas. Las burbujas ascendentes producidas en el lecho, fortalecen los efectos cortocircuitos, pero reducen las áreas muertas (van der Meer, 1979). 2.3.3.3 Separación Trifásica La separación trifásica interna empleada en los reactores UASB tiene la ventaja de minimizar las fuerzas sobre el lodo, una condición para la formación de los gránulos.
Junto a la separación trifásica se emplea un sistema de decantación que en el caso de los reactores UASB se puede caracterizar del tipo interno y de flujo vertical. Condición importante es la ausencia de turbulencia dentro del sistema de decantación, lo que hay que asegurar con la separación del área donde se produce la purificación, para no intervenir el régimen de flujo dentro del decantador. Es favorable emplear tiempos de residencia cortos para el sistema de decantación. Además hay que interceptar el gas en el separador trifásico, antes que entren los lodos al sistema de decantación. Con pérdidas no tolerables de lodos, a veces se emplea un decantador externo adicional. (van der Meer, 1979)
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2.3.3.4 Valores de Diseño del UASB Según Lettinga et al. (1990), el volumen del reactor depende de los siguientes factores: •
Carga diaria máxima del DQO.
•
Carga máxima permitida del separador trifásico.
•
Temperatura mínima del afluente.
•
Concentración y composición del afluente.
•
Eficiencia de purificación requerida.
•
Carga volumétrica permitida bajo una retención específica dada de lodo,
siendo el último factor de diseño el más importante.
Lettinga
DQO del afluente (mg/L)
Porción suspendida de DQO (%)
CV aplicable a 30 °C, lodos granulados (kg DQO/(m3*d))
Flujo ascendente máximo (m/h)
< 2000
10 – 30
2–4
3
30 – 60
2–4
1 – 1,5
60 – 100
UASB inútil
10 – 30
3–5
30 – 60
4–6
60 – 100
4–8
1 – 1,5
5 – 15
0,5 – 2
et al. (1990)
Lettinga
2000 – 6000
et al. (1990)
Böhnke
3
et al. (1993) Rosenwinkel
6 (a 20 – 24 °C)
et al. (1996)
10
Tabla 2: Carga volumétrica aplicable y flujo ascendente máximo para reactores UASB
Otros autores proponen el diseño según la edad del lodo, comparable al tratamiento aerobio (Kraut et al., 1996).
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2.4 Industria Cervecera y Tratamiento de RILes 2.4.1 Elaboración de Cerveza El proceso de la elaboración de cerveza consiste en una variedad de operaciones y procesos, los cuales incluyen la selección de materias primas, cocimiento, fermentación, reposo, filtración, dilución y envasado (CCU, 1998). •
Selección de materias primas: Empieza con la descarga, limpieza y el almacenamiento.
•
Cocimiento: Consiste en la producción del mosto que fermentarán las levaduras en la etapa de fermentación. Sub-procesos son la preparación y acondicionamiento de las materias primas a través de procesos térmicos (autoclavado) y la separación del mosto de sólidos insolubles (orujo). El mosto se somete a un proceso de cocción o ebullición con el fin de lograr su estabilización, el desarrollo del sabor y su concentración. Posteriormente atraviesa un filtro y es enfriado hasta la temperatura de inicio de la fermentación.
•
Fermentación: Proceso anaerobio mediante el cual las levaduras transforman el mosto en cerveza. Después de siete días, tiempo total de la fermentación, una parte importante de la levadura flocula, recuperándose y reutilizándose en nuevas fermentaciones.
•
Reposo: La cerveza concentrada reposa en los estanques de reposo durante siete días, período en el cual se produce una gran cantidad de reacciones biológicas que son responsables del aroma, sabor, clarificación, maduración y estabilización de la cerveza.
•
Dilución y filtración: La cerveza reposada es diluida con agua, carbonatada, desaireada y enfriada. Posteriormente se la somete a una filtración con el objeto de remover sustancias suspendidas, logrando como producto final una cerveza transparente.
•
Envasado: Se realizan las operaciones de lavado de envases, llenado, pasteurizado, etiquetado, encajonado y paletizado. Los productos terminados son almacenados en bodega.
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2.4.2 Elaboración de Gaseosas Principalmente, la elaboración de gaseosas se limita a la solubilización y dilución de extractos frutales y concentrados con agua, CO2, azúcar, edulcorantes, etc. (Böhnke et al., 1993). En la planta cervecera local se considera tres áreas de producción: producción de azúcar líquido, producción de jarabes y embotellación (CCU, 1998): •
Azúcar líquido: El azúcar es disuelto con agua en un estanque de solubilización.
•
Jarabe: En esta área se elaboran los diferentes tipos de jarabes requeridos para la producción de las distintas variedades de gaseosas. El jarabe se formula a partir del azúcar líquido, aditivos (preservantes, colorantes y otros) y agua.
•
Embotellación: Considera además del lavado de botellas las operaciones de embotellación del producto, realizándose en esta etapa la disolución del jarabe con agua y la carbonatación. Posteriormente las botellas son envasadas, etiquetadas, empacadas y paletizadas.
2.4.3 Generación y Composición de RILes Las diferentes operaciones unitarias involucradas en el proceso de producción de la cerveza generan cantidades importantes de materia orgánica y deterioran la calidad del agua en sus parámetros físico-químicos. Las más relevantes son las operaciones de lavado de botellas, operación de lavado de estanques de fermentación, de reposo, de levadura, filtro de tierra y lavado de maquinarias relacionadas con el envasado del producto final. A estas corrientes se les suman las pérdidas de producto, tanto como rompimiento de botellas, como derrames de producto, los que también aportan cantidades importantes de materia orgánica (Kristal, s/a).
Debido a la producción discontinua, los RILes de la industria cervecera se caracterizan por flujos, concentraciones y pH fuertemente cambiantes; además presentan bajas temperaturas, entre 20 y 30 °C, un DQO relativamente bajo para el tratamiento anaerobio y una relación favorable de DQO/DBO5 de 1,8 – 2, debido a sus altos contenidos de hidratos de carbono y de proteínas (Böhnke et al., 1993). La siguiente Tabla 3 resume características promedio en RILes de la industria cervecera.
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Contenido
Concentración (mg/L)
DBO5, mezclada
1100 – 1500
DBO5, sedimentada
900 – 1200
DQOmezclada
1800 – 3000
DQOsedimentada
1500 – 2500
Nitrógenototal
30 – 100
Fósforototal
10 – 30
Materia sedimentable
10 – 60
Tabla 3: Características de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996)
La buena biodegradabilidad de los RILes de la industria cervecera se expresa también en una alta tasa de acidificación (principalmente ácido acético y ácido propiónico) entre 60 y 75% hasta unos 98% bajo elevados tiempos de retención en el ecualizador (Rosenwinkel et al., 1996).
Los contenidos de nitrógeno en su mayoría son de origen orgánico, provenientes de proteínas y de levaduras, y en menor cantidad el nitrógeno inorgánico en forma de nitrato, proveniente del uso de ácido nítrico como detergente. Si hubiera buena eficiencia en la recuperación y remoción de la levadura y no se usara ácido nítrico para la limpieza, se obtendrían concentraciones muy bajas de nitrógeno en el RIL. El fósforo se origina principalmente del uso de detergentes en base a fosfatos y ácido fosfórico en actividades de limpieza. Los RILes además contienen concentraciones pequeñas de azufre y amonio (Rosenwinkel et al., 1996).
Según la literatura, la producción específica de RILes con respecto al producto final varia entre 0,27 y 1,16 m3/HL y el valor promedio entre 0,4 y 0,6 m3/HL, la cual es mucho más alta que la producción específica de RILes en la elaboración de gaseosas con valores referenciales promedio de 0,15 m3/HL (Böhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). Teniendo en cuenta que la planta cervecera local produce cuatro veces más cerveza que gaseosas, y que la línea de elaboración de gaseosas genera concentraciones inferiores de DQO, es factible despreciarla y concentrarse en el área cervecera.
Estudios realizados en distintas cervecerías obtuvieron concentraciones de compuestos tensioactivos aniónicos de 0,05 a 0,40 mg/L y de no iónicos de 0,56 a 3,84 mg/L provenientes de sustancias como desinfectantes y detergentes, que pueden influir fuertemente en los
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Antecedentes
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procesos biológicos debido a su potencial inhibitorio y/o tóxico. En el proceso de elaboración de cerveza se utilizan detergentes para eliminar residuos orgánicos e inorgánicos. Los desinfectantes son agentes para matar microorganismos patógenos y gérmenes. Los ingredientes más importantes de ambos agentes son: ácidos, lejías, fosfatos y silicatos, de origen inorgánico. Además contienen sustancias orgánicas como tensioactivos, antiespumantes y formadores de conjuntos, entre otros. Menos relevantes son los contenidos en adhesivos y aluminio provenientes de las etiquetas (Rosenwinkel et al., 1996).
En la industria cervecera local el efluente líquido contiene una gran carga de desechos orgánicos; la producción de un hectolitro de cerveza produce agua residual con una contaminación aproximada de 800 g de DBO5. Las aguas residuales se componen principalmente del líquido de recuperación de levaduras y del agua de lavado de varios departamentos, por ejemplo: las aguas que proceden del lavado de botellas tienen una concentración de 200 a 400 mg/L de DBO5, las del lavado de los tanques de fermentación o de los filtros tiene 3000 mg/L de DBO5, y las del lavado de tanques hasta 16000 mg/L de DBO5. En el proceso de recuperación de la levadura, el efluente consta de: residuos de filtros que resultan de la preparación de soluciones de nutrientes agotados, aguas de lavado (alto contenido en fósforo) y efluente de la filtración. El volumen de las aguas residuales es del 10 - 20% del volumen de producción de cerveza, y por su contenido en nutrientes agotados, causa el 75 80% del DBO5 total. (CCU, 1998) La siguiente Tabla 4 resume los parámetros de diseño del RIL afluente a la planta de tratamiento de la industria cervecera local.
Parámetro
Valor
Caudal medio
40 L/s
Días de descarga por mes Volumen mensual Temperatura pH
Carga
26 89856 m3 30 °C 5,0 – 9,0
DBO5
2333 mg/L
8062 kg/d
SST
600 mg/L
2074 kg/d
Aceites y Grasas
60 mg/L
207 kg/d
Fósforo total
30 mg/L
104 kg/d
Tabla 4: Parámetros de diseño del RIL de la planta cervecera local (Kristal, s/a)
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2.4.4 Características del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta Cervecera local 2.4.4.1 Temperatura No hay ningún calentamiento del RIL y de los reactores UASB, por lo tanto, ellos trabajan a temperaturas que fluctúan entre 20 y 30 °C, dependiendo del proceso y de la temperatura del ambiente. La temperatura de diseño es 30 °C. (CCU, 2000a) 2.4.4.2 pH Debido a la modificación del pH en el ecualizador, el valor de entrada no baja de 6,0 y la gran mayoría de los datos se encuentra dentro del rango de 6,4 y 7,2. Excepcionalmente ocurren valores superiores a 8. La siguiente Figura 1 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 0,1) y sumatorias del pH del RIL afluente al tratamiento secundario, o sea afluente a los reactores UASB. Los datos representan 164 muestras tomadas durante los meses de abril y octubre del año 2000 (calculado según CCU, 2000b). 20
90 80
16
70 60
12
50 40
8
30 20
4
Probabilidad individual (%)
Probabilidad sumatoria (%)
100
10 0
0 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 pH
Figura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera
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2.4.4.3 Sólidos Suspendidos Totales (SST) El 95% de los valores de SST varía entre 100 y 1100 mg/L, concentraciones inferiores o superiores apenas ocurren. La concentración de diseño es 600 mg/L con una carga resultante de 2074 kg/d (Kristal, s/a): sin embargo la concentración promedio afluente al tratamiento secundario es 375 mg/L. La siguiente Figura 2 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 50 mg/L) y sumatorias de los SST que entran a los reactores UASB. Los datos representan los 146 promedios diarios que fueron obtenidos en base a muestras tomadas cada dos horas del día durante abril y octubre del 2000 (calculado según CCU, 2000b).
Probabilidad sumatoria (%)
90 16
80 70
12
60 50 40
8
30 20
4
10 1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0 0
0
Probabilidad individual (%)
20
100
SST (mg/L) Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera
2.4.4.4 Demanda Química de Oxígeno (DQO) En el 85% de los casos, la DQO se encuentra entre 1000 y 4500 mg/L, con un promedio de 2750 mg/L, aunque sujeto a cambios bruscos. Excepcionalmente se presentan concentraciones por encima de 7500 mg/L. La siguiente Figura 3 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 250 mg/L) y sumatorias de la DQO afluente a los reactores UASB. Los datos representan los 166 promedios diarios calculados en base a muestras tomadas cada dos horas al día durante los meses abril y octubre del 2000 (calculado según CCU, 2000b).
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90 80
16
70
9000
8500
8000
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
0 3500
10 0 3000
4
2500
30 20
2000
8
1500
40
1000
12
500
60 50
Probabilidad individual (%)
20
0
Probabilidad sumatoria (%)
100
DQO (mg/L) Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera
2.4.4.5 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) Los RILes de la planta cervecera local muestran relativamente una alta biodegradabilidad, la que se expresa en una relación de DQO/DBO5 de 1,59, o sea DBO5/DQO = 0,63 (CCU, 2000a). La concentración de diseño es 2333 mg/L, con una carga resultante de 8062 kg/d (Kristal, s/a). 2.4.4.6 Nutrientes La concentración de nitrógeno varía entre 3 y 55 mg/L y la de fósforo entre 6,6 y 663,3 mg/L, con promedios de NTK = 29,2 mg/L y fósforototal = 177,2 mg/L. Los altos contenidos en fósforo se puede explicar por el uso de desinfectantes basados en ácido fosfórico (CCU, 2000a). La concentración de diseño de fósforo total es 30 mg/L (Kristal, s/a) que según los datos presentados es seis veces superada. Las relaciones entre DQO, nitrógeno y fósforo que entran a los reactores UASB se muestra en la siguiente Tabla 5. Los datos representan tomas de muestras semanales durante el período de agosto – octubre del año 2000 (calculado según CCU, 2000b).
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Datos de muestreo
Relación entrada AN
DQO (mg/L)
NTK (mg/L)
Ptotal (mg/L)
DQO NTK (mg/L) (mg/L)
Ptotal (mg/L)
5997
55,0
87,8
800
7,3
11,7
3530
32,7
62,0
800
7,4
14,1
3179
2,98
30,4
800
0,7
7,7
4686
49,8
28,1
800
8,5
4,8
5351
32,9
66,0
800
4,9
9,9
2666
22,2
125,4
800
6,7
37,6
4347
6,21
663,3
800
1,1
122,1
3323
31,9
355,0
800
7,7
85,5
4135
29,2
177,2
800
5,5
36,7
Tabla 5: Concentración de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biológico de la planta cervecera local
2.4.5 Técnicas del Tratamiento de RILes La gran mayoría de las 136 plantas documentadas de tratamiento instaladas en la industria cervecera a nivel mundial durante el período 1980 - 1996, consiste en un tratamiento acoplado anaerobio-aerobio. De ellos, la tecnología más utilizada es el reactor UASB junto a un sistema de lodos activados tradicional, sobre todo en países de América del Sur como Brasil, Venezuela, Colombia y Argentina. En Chile existen reactores instalados por ejemplo en la planta C.C.U. S.A. Antofagasta. A diferencia, en Alemania los RILes normalmente son descargados al sistema de alcantarillado público, a excepción de unas pocas plantas que cuentan con reactores de lecho fijo o con reactores UASB modificados con recirculación interna (Böhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). La siguiente Tabla 6 resume valores de diseño referenciales de 12 reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes de la industria cervecera: TRH (h)
ηDQO (%)
Temperatura (°C)
Carga volumétrica (kg DQO/(m3*d))
Rango Promedio
4,6 – 11,3
70 – 85
20 – 40
5,25 – 15
7,0
75
30 – 35
9,5
Tabla 6: Valores referenciales de diseño de reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes en la industria cervecera (Böhnke et al., 1993) Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera local Los RILes de la fábrica local de cervezas son tratados en una planta de tratamiento diseñada para obtener una salida de agua con calidad de regadío, la cual es descargada al estero La Laucha, afluente del río Cautín. El caudal máximo del RIL con la planta a plena capacidad es de 0,09 m3/s. El caudal estimado en los meses de mayor producción es de 4200 m3/d y las características físico-químicas que debia cumplir el efluente de la planta de tratamiento corresponde a lo requerido por la Norma Técnica relativa a Descargas de Residuos Industriales Líquidos Directamente a Cursos y Masas de Aguas Superficiales y Subterráneas publicada en 1992 por la Superintendencia de Servicios Sanitarios y la Norma Chilena 1333 of. 78, que define los requisitos para Aguas de Regadío. (CCU, 1998) Desde septiembre del 2001, el nuevo cuerpo legal vigente es el Decreto Supremo 90/00, que establece la norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales.
Las aguas residuales provenientes del proceso de elaboración de cerveza son tratadas por vía biológica mediante un proceso acoplado anaerobio-aerobio. El proceso anaerobio utiliza un reactor UASB empacado parcialmente y por otra parte, el proceso aerobio involucra un sistema de lodos activados en la modalidad de aireación extendida. La secuencia de tratamiento consta de las siguientes operaciones y procesos unitarios (Kristal, s/a; CCU, 2000a): 2.4.6.1 Pretratamiento Rejilla de cribado: Los RILes ingresan al pretratamiento por la rejilla de barras verticales ubicada al inicio del canal de desarenación con el propósito de remover los sólidos gruesos que pudieran causar daños a los equipos mecánicos o interferir con subsecuentes etapas de tratamiento. Desarenador: El RIL continúa su paso a gravedad por el canal desarenador del tipo de sedimentación de velocidad constante, cuya finalidad es la retención de sólidos inorgánicos densos que no hayan sido separados en la rejilla de barras. Pozo de bombeo: El agua recolectada por el pozo (volumen de 74 m3) alimenta a la criba estática por medio de bombas sumergibles, cuya operación es programada de tal manera que trabajen alternadamente. Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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Criba estática autolimpiante: Su objetivo es eliminar los sólidos finos (orujo y cascarilla) mayores a 0,5 mm y evitar que ingresen al sistema biológico de tratamiento, ya que representan una carga orgánica importante que requeriría tiempos de residencia demasiado elevados para su degradación. En esta unidad se estima una eficiencia de remoción de sólidos suspendidos del 10%.
Hidrociclón: El RIL proveniente de la criba estática entra tangencialmente al ciclón, estableciendo un flujo espiral o de vórtice. Como resultado, los sólidos son lanzados sobre las paredes del cono hacia el punto de salida inferior y el efluente sale con un contenido menor de sólidos, aproximadamente un 50%. Tanque de homogenización y neutralización: El agua prácticamente libre de sólidos es conducida hacia el tanque de homogenización y neutralización. Para evitar la acumulación de sólidos orgánicos en el fondo y asegurar la homogenización, el tanque cuenta con un agitador de baja velocidad. El tanque tiene un volumen de 840 m3 y por lo tanto está diseñado para un TRH de 5,6 horas.
En el mismo tanque se lleva a cabo la neutralización del RIL y la adición de nutrientes. Para la neutralización, la planta está dotada con dos unidades, una para la dosificación de soda cáustica y otra para el ácido clorhídrico, según sea el ajuste de pH que se necesite. Para la adición de nutrientes, la planta cuenta con unidades para la dosificación de FeCl3 y urea. 2.4.6.2 Tratamiento Biológico Reactor anaerobio UASB: El RIL proveniente del tanque de homogenización y neutralización entra al reactor anaerobio modificado, tipo UASB por medio de un sistema de distribución que asegura un reparto uniforme del agua en el fondo del reactor, sin que haya taponamientos o canalizaciones. El biogás es captado en la parte alta del reactor y se dirige al sistema de incineración. Con el propósito de retornar alcalinidad al sistema y de asegurar una velocidad de ascenso mínima del agua residual de 0,5 m/h, el reactor cuenta con un sistema de recirculación de un flujo máximo de 291 m3/h. Las bombas pueden operar en función de la velocidad ascendente que se desee dentro del reactor, la cual puede variar entre 0,5 a 1,0 m/h. El reactor consta de cuatro módulos iguales con un volumen útil de 430 m3 cada uno, de los cuales actualmente se utilizan
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solamente tres, mientras el cuarto sirve como almacén de lodos. El TRH de los tres módulos utilizados es de 11,6 horas. Reactor aerobio: Después del tratamiento anaerobio, el efluente se dirige por gravedad hacia el reactor aerobio. El proceso consta de un tanque de aireación de dos módulos con un volumen total de 1960 m3 en cuyo fondo se encuentra el sistema de tuberías y difusores de burbuja fina por donde se distribuye el aire, el que es suministrado por medio de un soplante de lóbulos, el cual tiene una capacidad de suministro de 944 m3/h de aire y es activado siempre y cuando la concentración de oxígeno disuelto (OD) quede debajo de 2 mg/L y es desactivado superando una concentración de 3 mg/L. El TRH en esta unidad es de 13,5 horas. El TRC es de 20 d. Clarificador secundario: En el clarificador secundario sedimentan los lodos provenientes del reactor aerobio. Éstos son recolectados continuamente por el sistema de rastras y tornamesa central; posteriormente son tomados por bombas centrífugas, las cuales están diseñadas para retornar un flujo de 250 m3/h. El agua clarificada es evacuada por vertederos en la parte superior del clarificador y de ahí es conducida por gravedad al tratamiento terciario. El clarificador secundario es de sección circular, con diámetro de 21,5 m y altura cilíndrica de 3,35 m. 2.4.6.3 Tratamiento Terciario Desinfección: Como tratamiento final, el agua residual ingresa al tanque de contacto con cloro a TRH de 58 minutos, donde se dosifica este reactivo en forma de gas. El tanque de contacto con cloro tiene un volumen de 138 m3 con instalaciones para inducir un régimen de flujo pistón. La eficiencia en el proceso de desinfección es del 99%. Decloración: En la etapa final del tratamiento se remueve el cloro residual total combinado que existe después de la cloración. La eliminación del cloro residual se realiza utilizando sulfito de sodio en el tanque de decloración, cuyo volumen es de 194 m3.
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2.4.6.4 Procesos e Instalaciones Adicionales Tratamiento de lodos: El manejo de lodos consiste en que los lodos anaerobios se alojan en el interior del reactor y cuando sea necesario se dispone de ellos por medio de una línea de purga hacia el tanque de almacenamiento de lodos, el cual tiene un volumen de 101 m3. Este tanque es también un almacén de lodos granulares para contar con una reserva en caso de accidentes que signifiquen pérdida masiva de lodo. Los lodos anaerobios acumulados o excedentes son enviados por medio de una bomba al pozo de lodos, donde se mezclan con los lodos de purga del sistema de aireación extendida y posteriormente son enviados al filtro banda para su desecado. El lodo acondicionado es desaguado hasta una concentración en sólidos del 20 al 25%. Estos lodos ya desecados forman una pasta de consistencia sólida que puede ser dispuesta fuera de la planta de tratamiento. Manejo de biogás: El biogás es enviado a un quemador para su incineración. Su composición básicamente es 65% de metano y 35% de dióxido de carbono. Laguna de emergencia: En el evento de efectuar labores de mantenimiento u ocurrir un problema en la planta de tratamiento de RILes se dispone de una laguna de emergencia, ubicada al costado de la planta de RILes. Su volumen útil de almacenamiento es de 17500 m3.
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3 Materiales y Métodos 3.1 Descripción de la Planta A continuación se describirá la planta de tratamiento biológico utilizada en el laboratorio de RILes del Departamento de Ingeniería Química de la UFRO. La planta acoplada anaerobiaaerobia consta de un reactor anaerobio tipo UASB, un sistema de lodos activados tradicional y cuenta con medidores de T°, pH, OD y dispositivos para su ajuste automático. Los datos obtenidos por los medidores son transferidos a través de un controlador (RTU) para su posterior utilización a un PC. La siguiente Figura 4 muestra un esquema de la planta. Unidad de Control RTU
PC con RTU-Terminal
Inputs análogos RS 232 Baño de calefacción Medidor (T°
pH)
Medidor (T°
OD) Medidor (T°
pH)
Almacén de ácido
Compresor
Bomba peristáltica
Bomba Separador
Impulsor
Bomba peristáltica (Recirculación)
Sensor de T° Sensor de pH
Sensor de T°
Sensor de OD y T°
Mangueras de calefacción
Compresor (Retorno de lodo)
Difusores de aire
Bomba peristáltica (Alimentación) Reactor UASB
Bomba peristáltica (Nutrientes)
Almacén de nutrientes
Tanque de aireación
Clarificador secundario
Figura 4: Planta acoplada anaerobia-aerobia utilizada en el proyecto
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3.1.1 Fase Anaerobia El tratamiento anaerobio consta del reactor UASB, del sistema de alimentación y recirculación, del sistema de calefacción y además de los medidores correspondientes. Todas sus partes se encuentran instaladas en una estantería de metal móvil. 3.1.1.1 Reactor UASB El reactor anaerobio es del tipo UASB. Es cilíndrico, fabricado en acrílico transparente y sus dimensiones son: altura total 750 mm, altura útil 665 mm y diámetro interno 168 mm, lo que conduce a un volumen útil VAN de 14,8 L, que fue determinado experimentalmente a través de la medición con agua necesaria para su llenado sin considerar los volúmenes del separador y las mangueras respectivas. Como acometida de entrada funciona un grifo que se encuentra por debajo del reactor. En su fondo tiene una placa perforada para la distribución uniforme del caudal de entrada. La separación trifásica y la recolección del biogás se llevan a cabo en un embudo instalado en la cabeza del reactor. Inicialmente, el sistema de decantación interna constó de una sola placa decantadora tipo cono truncado hueco y sobre ella al final de la fase de operación fue añadido otro cono idéntico en sentido opuesto. 3.1.1.2 Sistema de Alimentación y Recirculación La alimentación es suministrada desde un tambor de volumen útil de 220 L al reactor UASB a través de mangueras conectadas a una bomba peristáltica. Independientemente es instalada una bomba para suministrar una solución de nutrientes y otra para efectuar la recirculación interna. Por ello se emplea un separador de flujo después de la salida del reactor que conduce un caudal hacia el tanque de aireación por gravedad y otro hacia la entrada del reactor anaerobio mediante una bomba peristáltica. Se ajusta el caudal de recirculación según las necesidades para garantizar una velocidad de flujo ascendente mínima dentro del reactor anaerobio de 0,5 m/h. El separador tiene un volumen de 0,4 L, sin embargo no es llenado completamente durante la operación. Para impedir derrames tiene que encontrarse instalado encima del nivel del licor del tanque de aireación y debajo del nivel de salida del reactor anaerobio. 3.1.1.3 Sistema de Calefacción El calentamiento del reactor anaerobio se realiza a través de un intercambio de calor con el agua que circula afuera del reactor. Para ello se instaló 35 metros de manguera recubriendo un 80% de la superficie exterior del reactor. En ella se hace circular agua calentada en un baño de
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vidrio de 15 L de capacidad. El reactor y el baño son cubiertos con plumavit para disminuir pérdidas de calor. El calentamiento del agua y el bombeo es realizado por un equipo de la empresa HETO LAB EQUIPMENT. Si el termostato funcionara correctamente, tendría la posibilidad de elegir la temperatura del agua en seis campos entre 5 y 110 °C. Como medida alternativa, las fases de calentamiento y de pausa del equipo son controladas a través de un temporizador. El consumo del equipo es 1,240 kWh, lo que equivale a una intensidad de corriente de 5,7 A.
3.1.2 Fase Aerobia El tratamiento aerobio se lleva a cabo en un sistema de lodos activados, que consta del tanque de aireación, del sistema de aireación, del equipo de agitación, del clarificador secundario, del sistema de recirculación de lodos y del sistema de ajuste de pH, además de los medidores correspondientes. Todas las piezas se encuentran instaladas en una estantería de metal móvil. 3.1.2.1 Tanque de Aireación El tanque de aireación es del tipo reactor continuo de mezcla perfecta. Es cilíndrico, fabricado en acrílico transparente y sus dimensiones son: altura total 405 mm, altura útil 294 mm y diametro Dt 241 mm, lo que conduce a un volumen útil bruto del tanque de 13,4 L, lo cual se reduce a un volumen útil VAE neto de 12,6 L si se toman en cuenta los volúmenes de los sensores sumergidos, del impulsor, de los difusores y de los deflectores. La acometida de entrada se encuentra en la parte inferior de él y la de salida al lado opuesto en la parte superior del reactor. En su fondo tiene cinco perforaciones a través de las cuales entran por debajo las mangueras de aireación. 3.1.2.2 Sistema de Aireación El sistema de aireación consiste en el equipo de medición de oxígeno disuelto, el compresor de aire, de cinco difusores de aire y además de las mangueras correspondientes.
El equipo de medición de oxígeno disuelto consta del medidor MONEC 8980 y el electrodo de oxígeno, el cual se encuentra dentro de un tubo sumergible. Tiene un rango de medición de 0 a 20 ppm, compensación automática de temperatura y una exactitud de 5% para concentraciones superiores a 0,1 ppm. Su tiempo de respuesta es menor a 3 min. Puede transferir los datos medidos (OD y T°) a la RTU usando dos outputs análogos; además cuenta con un input/output digital para establecer una comunicación bidireccional. Dos niveles de alarma (setpoints) son programables y pueden comandar equipos exteriores con consumo energético inferior de Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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1,25 kWh a través de cierres y aberturas de relés. El tiempo de vida de la membrana es alrededor de 6 meses.
Se está empleando un compresor tipo N022 AT. 18 de la empresa KNF NEUBERGER. Es activado al quedar debajo del valor umbral programado al cerrar un relé dentro del mismo medidor de oxígeno disuelto. La desactivación funciona de la misma manera al sobrepasar dicho valor umbral. Con el objeto de impedir el ingreso de liquido al compresor, éste se encuentra instalado por encima del nivel del reactor. Su consumo energético es de 0,1 kWh.
Durante el proyecto se utilizó 3 diferentes tipos de difusores de piedras porosas de acuario: •
difusores pequeños corrientes
•
difusores tipo AS25 de TETRATEC
•
combinación de cuatro difusores del tipo AS40 y uno del tipo AS45 de TETRATEC
Éstos se encuentran en el fondo del reactor fijados en las mangueras provenientes del compresor en un tapón de goma perforado.
La manguera que sale del compresor se ramifica debajo del reactor para dividir el flujo de aire regularmente hacia los difusores. 3.1.2.3 Equipo de Agitación El equipo de agitación consiste de un agitador con impulsor. Éste se encuentra ubicado por encima y en el centro del reactor y fijado al soporte por una abrazadera y una barra de sujeción. El reactor además cuenta con 4 deflectores.
Se está usando un agitador tipo RZR 2050 de la empresa HEIDOLPH. Aquello genera números de revoluciones libremente elegibles en dos campos de revoluciones, cuyo campo inferior opera entre 40 y 400 r.p.m. y el superior entre 200 y 2000 r.p.m. Durante el régimen de trabajo constante el par de giro es 100-125 Ncm y 20-25 Ncm respectivamente. La potencia suministrada por el motor es 50 W (potencia de eje) mientras su consumo es de 70 W. El vástago de la paleta es fijado por un mandril, logrando así ajustar la altura Hi deseada del impulsor (Heidolph, 1997). El agitador trabaja continuamente.
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Actualmente se está usando un impulsor de acero axial tipo hélice marina de tres paletas. Su diámetro Di es 56 mm y su Pitch Ai mide 10 mm. Se encuentra al final del vástago de diámetro 7 mm en una posición vertical Hi de 120 mm por encima del fondo del reactor. El reactor cuenta con Nb = 4 deflectores verticales, distribuidos uniformemente para impedir la creación de vórtices y remolinos. Son fabricados en acrílico con un ancho Ab de 18 mm y un grueso de 5 mm. 3.1.2.4 Clarificador Secundario El clarificador secundario es del tipo pozo Dortmund. Se fijó a la estantería de tal manera que su parte superior cilíndrica está por encima del soporte con el nivel de derrame exactamente a la misma altura que la altura útil del tanque de aireación. La parte inferior tiene forma de cono invertido y en el fondo lleva un grifo para la purga manual de lodos. El licor entra al clarificador 80 mm debajo del nivel de derrame a un tubo vertical de diámetro de 60 mm, el cual se ensancha en la parte inferior y hace atravesar el licor por la zona de sedimentación. La estructura del clarificador es de acrílico transparente, sus dimensiones son: altura total 450 mm, diámetro 185 mm y pendiente del cono 63°. Su volumen útil de 9,6 L se determinó experimentalmente a través de la medición del agua necesaria para su llenado. 3.1.2.5 Sistema de Recirculación de Lodos El sistema de recirculación de lodos del clarificador secundario al reactor aerobio consiste en un tubo de vidrio que aspira los lodos de la zona espesada, a través del movimiento ascendente del aire inyectado cerca al extremo inferior del mismo tubo. El aire comprimido se genera a través de un compresor de acuario. Se empleó dos compresores diferentes. Un AIRPUMP 3500 de la empresa COSMO AQUARIUM y otro tipo 802 de la empresa ELITE. Sus períodos de trabajo y de pausa se controlaron a través de un temporizador. 3.1.2.6 Sistema de Ajuste de pH El sistema de ajuste de pH consta del medidor MONEC 8930 de la empresa ZELLWEGER. Al quedar por encima del nivel programado en el medidor se activa una bomba peristáltica y suministra una solución de H2SO4 desde una botella de plástico de volumen útil de 1 L al tanque de aireación. El medidor MONEC 8930 tiene las mismas características generales que el MONEC 8980 y transfiere los datos medidos (pH y T°) a la RTU usando sus dos outputs análogos, sin embargo cuenta con un setpoint adicional programable. La corrección de temperatura se lleva a cabo a través de un sensor de temperatura Pt100 sumergible de la Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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empresa ZELLWEGER, sin embargo el MONEC 8930 expresa el valor de pH para una temperatura de referencia de 25 °C.
3.1.3 Temporizadores En la planta son utilizados para el control de la recirculación de los lodos activados, para la activación de la máquina calefactora del sistema anaerobio y cuando sea necesario para el control de la bomba de dosificación de nutrientes adicionales. Los temporizadores utilizados son del tipo DRPL de la empresa LOVATO S.P.A. Los rangos programables varían entre 0,3 segundos a 120 minutos y son escogidos en 12 campos independientemente para el trabajo y para la pausa. La programación correcta de los conmutadores se encuentra en el Anexo E.
3.1.4 Bombas Peristálticas Los sistemas de bombeo en la planta son formados por bombas peristálticas y sus mangueras correspondientes. En la fase anaerobia son utilizados de manera continua para el bombeo de la alimentación y la recirculación. En la fase aerobia una bomba es utilizada para el ajuste del pH dentro del reactor, controlada a través del medidor de pH. Opcionalmente una bomba se usa para la alimentación adicional de nutrientes, la cual es conectada a las mangueras de recirculación anaerobia y controlada a través de temporizadores. Los modelos de las bombas son 7521-10 y 7521-00 de la empresa COLE-PARMER, que llevan cabezales tipo “easy load” (7518-00) o “quick load” (7013-42). Las mangueras de bombeo son del tipo Masterflex Tygon Lab (6409-14) de diámetro interno 1,6 mm de alta resistencia a ácidos o bases y del tipo Masterflex Silicone (96400-16) de diámetro interno 3,1 mm. La siguiente Tabla 7 muestra algunas características de las bombas peristálticas empleadas. El consumo energético es de 1,5 A a 230 V. (Cole-Parmer, 1996). Campo
Bomba Cabezal Manguera
Tiempo de
r.p.m. máx. Caudal máx.
servicio (h) Alimentación
(L/h)
7521-10 7518-00 96400-16
825
100
5,1
Recirculación AN 7521-00 7518-00 96400-16
150
600
24,0
Ajuste pH
7521-10 7013-42
6409-14
275
100
1,6
Nutrientes
7521-10 7013-42
6409-14
275
100
1,6
Tabla 7: Características de las bombas peristálticas
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3.2 Unidad de Control La unidad de control se compone de dos partes llamadas RTU y RTU-Terminal explicadas a continuación.
3.2.1 RTU La RTU cumple la función de recolectar los datos de medición de los medidores y transferirlos a un PC para su posterior utilización. Consta de un controlador programable RPC-52 de la empresa REMOTE PROCESSING, una pantalla Liquid Crystal Display (LCD) y una tecla para operarlo de manera directa. Para comunicarse con su ambiente, el controlador RPC-52 cuenta con dos puertas seriales estándar RS-232 para conectar a un PC. Sus capacidades de input-output análogo constan de ocho puertas (número interno RTU 10-17) para recibir las señales (4-20 mA, 0-5 V) de los medidores externos, las cuales son convertidas con una resolución de 10 bit por un conversor análogo-digital y dos puertas output de voltaje variable en 255 pasos en un rango de 0 a 5 V (número interno RTU 20-21). Además cuenta con 24 líneas de input-output digital (número interno RTU 100-123) para conectar dispositivos de lógica transistor y adicionalmente cuenta con 4 módulos “opto” (número interno RTU 00-03) que son capaces de conmutar voltajes en un rango de 5 a 240 V a una corriente de 3 A.
3.2.2 RTU-Terminal RTU Terminal es un programa diseñado por SIMTECH para controlar una o más RTUs en forma remota por medio de una puerta de comunicación RS-232 de un PC bajo la familia WINDOWS 9x/200x. El programa además genera archivos de eventos (‘log’) en los cuales se almacena la información de las señales recibidas y cualquier problema ocurrido durante su funcionamiento. El programa permite, por medio de menúes; •
Configurar los parámetros de la puerta de comunicación.
•
Arrancar o detener uno o más conjuntos de trabajo.
•
Seleccionar las señales (análogas y digitales) y configurar sus parámetros de acuerdo a las necesidades propias del usuario.
•
Seleccionar las señales que serán desplegadas en pantalla, ya sea usando los dos diagramas de plantas o la pantalla de gráficos.
•
Revisar archivos de eventos
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En el Anexo H se dará una descripción breve de los menúes de importancia del RTU-Terminal, así como las configuraciones apropiadas.
3.3 Métodos Analíticos y Programa de Muestreo Los procedimientos de la toma de muestras, su conservación y los análisis físico-químicos corresponden a los señalados por Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales (APHA/AWWA/WPCF, 1989), si no se indica otro procedimiento diferente. El objetivo del programa de muestreo es caracterizar todas las concentraciones y caudales indicados en la siguiente figura, para poder establecer los balances de masa. La siguiente Figura 5 indica todos los caudales y concentraciones que fueron medidos o calculados durante el marco del proyecto. Se instaló los siguientes puntos de muestreo resumidos en la Tabla 8. UASB (AN)
Separador
Reactor aerobio (AE)
Clarificador
Salida AN Q0 + QR, AN SS, AN XS, AN
Entrada AE Q0 SE, AE XE, AE
Recirculación AE QR, AE SAE XR, AE
Salida AE
Salida Q0 – QP SAE XS
Q0 + QR SAE XAE
Recirculación AN QR, AN SR, AN XR, AN
Entrada Q0 S0 X0
Purga QP SAE XP
Figura 5: Planta con caudales y concentraciones relevantes
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Punto de muestreo
Técnica de muestreo
Entrada
bifurcación en la manguera de alimentación delante de la bomba de alimentación
Recirculación AN
bifurcación en la manguera de recirculación delante de la bomba de recirculación
Entrada AE
bifurcación en la manguera de salida del separador
Salida AE
tomas directamente del tanque de aireación
Recirculación AE
tomas directamente desde el extremo del tubo entrando al tanque de aireación
Salida
tomas directamente de la manguera de desagüe del clarificador
Purga
grifo de salida, toma homogeneizada de la purga
Tabla 8: Puntos y técnicas de muestreo
La siguiente Tabla 9 muestra el programa de muestreo aplicado durante el marco del proyecto. Los números indican la frecuencia semanal, mientras que los caracteres C se refieren a la medición continua, N a una medición cuando sea necesaria y D a un valor que se puede derivar
pH
pH0
Turbidez Caudal Q
5
1
QR, AN
1
QE, AE
5 5
D
D OD
S0
Purga
Clarificador
Salida
AE
Recirculación
pHS
5
Oxígeno disuelto Sustrato S
Salida AE
D pHE, AE 5 pHAE C
5 Q0
Reactor AE
Entrada AE
AN
Recirculación
cruda
Alimentación
de otros datos.
1
D QP
N
C
SAE
SR, AE
SAE
SAE
DQO
DQO0 3
D DQOE, AE 3
D
D DQOAE 3
D
DBO5
DBO0 1
D DBOE, AE 1
D
D DBOAE 1
D
NTK
NTK0 1
D NTKE, AE 1
D
D NTKAE 1
D
D
D
D
D
PO4-P Sólidos X
P0
1
X0
XR, AN
PE, AE XE, AE
1 XAE
XR, AE
PAE XS
1 XP
SSV
SSV0 1 SSVR, AN 1 SSVE, AE 1 SSVAE 3 SSVR, AE 1 SSVS 1 SSVP N
SST
SST0 1 SSTR, AN 1 SSTE, AE 1 SSTAE 3 SSTR, AE 1 SSTS 1 SSTP N
Tabla 9: Programa de muestreo Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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El pH es medido con un equipo portátil de la empresa HACH. A través del empleo de un medidor MONEC 8930 de la empresa ZELLWEGER se ajusta el pH en el tanque de aireación a 7,5. Como electrodo de pH es utilizado el sensor SENSOLYT GDA de la empresa WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE WERKSTÄTTEN. La turbidez es medida con el método nefelométrico con un turbidímetro marca 2100P de la empresa HACH. El oxígeno disuelto presente en el tanque de aireación es medido a través de un medidor MONEC 8980 con electrodo Oxistat PPM 8878.4 de membrana selectiva cuyo funcionamiento es basado en el principio Clark, ambos de la empresa ZELLWEGER y ajustado a un valor umbral mínimo de 2 mg/L o 4 mg/L durante fases de Bulking. Los sensores de temperatura también son de la empresa ZELLWEGER.
El rendimiento en la remoción de la contaminación orgánica durante las distintas fases del tratamiento biológico se expresa como eliminación de DQO y DBO5. La DQOtotal es determinada por digestión con dicromato y cuantificación colorimétrica con un espectrofotómetro HACH. La DQOsoluble se obtiene por aplicación del mismo procedimiento a la muestra filtrada con filtro WHATMAN GC-50 (diámetro de poro de 2,7 µm). La concentración de oxígeno disuelto en la prueba de DBO5 es determinada según la modificación azida del método de titulación yodométrico. Cabe mencionar que la DBO5 es crítica a determinar ya que en el caso de RILes de la industria cervecera al utilizar una población microbiana adaptada se ha mostrado concentraciones hasta un 30% mayores que con el procedimiento normal (Rosenwinkel et al., 1996).
El contenido de nitrógeno en las muestras se efectúa por medición de Nitrógento Total Kjeldahl (NTK) y el de fósforo como fosfato por reacción con pirosulfato de potasio y cuantificación colorimétrica (fósforo reactivo).
El IVL indica la calidad de decantación de los lodos y se usa como parámetro de control de la planta, específicamente de los lodos y se determina utilizando un cilindro graduado sin mecanismo de agitación.
Los sólidos totales en suspensión (SST, MLSS) se obtienen secados a 105 °C, cuya fracción de pérdida por ignición a 550 °C representa los sólidos volátiles en suspensión (SSV, MLVSS), comúnmente calificada como biomasa activa.
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Como una forma de expresar el efecto de Bulking se observa los lodos al microscopio, orientándose a la escala dada en la Tabla 10 que relaciona los distintos niveles del Bulking con el IVL y la cantidad visible de filamentos.
Nivel
0
1
2
3
4
5
Filamentos
ninguno
muy poco
poco
moderado
mucho
atestado
IVL (mL/g)
60
70
100
135
265
700
Tabla 10: Niveles de Bulking, IVL y cantidad visible de filamentos (Wagner, 1982)
3.4 Operación de la Planta Se inoculó el reactor aerobio con lodos de purga de unos reactores de lodos activados que habían sido alimentados con agua residual de una industria de tableros prensados. Una segunda inoculación fue llevada a cabo con lodos provenientes directamente del tanque de aireación de la planta de tratamiento de la industria cervecera local. La planta fue alimentada con un RIL de la misma industria cervecera. El punto de obtención del RIL fue la salida inferior del hidrociclón, debido al fácil acceso. Aproximadamente cada 10 días se renovó el RIL de alimentación. Días después de iniciar la operación de la fase aerobia del tratamiento se inoculó el reactor anaerobio con lodos provenientes de los reactores UASB de la planta de tratamiento de la industria cervecera local y se acopló la fase anaerobia con la aerobia.
El modo de operación durante la fase de puesta en marcha de la planta en general fue reducir los TRH, aumentando al mismo tiempo la carga volumétrica aplicada, pero manteniendo el factor de carga F/M en el reactor aerobio dentro de un marco estrecho.
3.4.1 Parámetros de Operación Se utilizó tres factores de carga en la operación de lodos activados (definiciones según Gray, 1990): • Tiempo de retención hidráulica: TRHAE = VAE/Q0 y TRHAN = VAN/Q0 Durante el proyecto se redujo de 24 h a 8 h debido al aumento del caudal de alimentación Q0. • Carga volumétrica:
CVAN = Q0*DQOE,
AN/VAN
= DQOE,
AN/TRHAN
CVAE = Q0*DBOE,
AE/VAE
= DBOE,
AE/TRHAE
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Es útil expresar cargas en términos de DQO o DBO5 aplicada por unidad de volumen del tanque si hay aguas residuales de cargas variables. • Carga másica/Factor de carga:
F/M = Q0*DBOE, = DBOE,
AE/(VAE*SSTAE)
AE/(TRHAE*SSTAE)
= = CVAE/SSTAE
El factor de carga de los lodos es muy útil para el control del proceso de lodos activados y es un parámetro manipulable. Se refiere a la relación entre la materia orgánica del afluente y la cantidad de lodo en el reactor para degradar este sustrato (Ramalho, 1995). A veces es determinado en función del lodo activo (SSV, MLVSS). •
Recirculación de lodos:
RAE = QR,
AE/Q0
= VIVL/(1000 mL – VIVL)*100% =
= IVL*SSTAE*VAE/(1000mL - IVL*SSTAE*VAE) La tasa de los lodos retornados al tanque de aireación normalmente se expresa como porcentaje del caudal de alimentación Q (Gray, 1990). Este factor depende fuertemente del IVL y a su vez de la concentración de SST en el caudal de recirculación (QR, AE).
3.4.2 Suministro de Nutrientes Adicionales Para garantizar el abastecimiento suficiente de los microorganismos presentes en los lodos activados durante fases de mal funcionamiento del reactor anaerobio, se agregó nitrógeno adicional en forma de urea (CH4N2O) a través del caudal de alimentación, con el objeto de mantener la relación de la alimentación del reactor aerobio DBO5:N cerca de 100:5. El cálculo del caudal másico necesario de la alimentación adicional se realizó de la siguiente manera, bajo las siguientes suposiciones simplificadas: •
un rendimiento cero de remoción del reactor anaerobio
•
la urea no aporta a la DBO5 que entra al reactor aerobio
•
DBO5 = 0,63*DQO (CCU, 2000a)
•
el caudal de la alimentación adicional (Qadicional) es despreciable
•
la concentración empleada de urea es 40 g/L
DBO0*(Q0 + Qadicional) : (NTK0*Q0 + Nadicional*Qadicional) = 100 : 5
caudal másico: Nadicional*Qadicional = Q0*(0,63*DQO0 – 20*NTK0)/20
La concentración de nitrógeno en la alimentación adicional se calcula utilizando el contenido estequiométrico del nitrógeno en urea: Nadicional = 40 g/L*(28/60) = 17,5 g/L Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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lo que lleva al caudal adicional necesario. Como se trata de caudales muy pequeños, éstos se agregan a través de caudales mayores pero de manera intermitente, utilizando un temporizador que controla la bomba peristáltica. El almacén es una botella de plástico, de volumen útil 1 L.
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Resultados y Discusión
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4 Resultados y Discusión 4.1 Funcionamiento de la Planta A continuación se hará un análisis detallado del funcionamiento de la planta, sus características desventajosas o perjudiciales, los cambios realizados durante el marco del proyecto, como además algunos consejos para la futura operación.
4.1.1 Fase Anaerobia 4.1.1.1 Reactor UASB Inicialmente, el reactor UASB no contaba con un sistema apropiado de decantación, por lo cual durante la operación se presentó una acumulación de lodos encima de la placa que conduce los gránulos ascendentes hacia la zona interna del separador trifásico.
Esta deposición de lodos en las placas decantadoras puede llevar a una producción de gas y turbulencia dentro del sistema de separación y a la pérdida de lodos (van der Meer, 1979). En general, la pérdida de lodos no se puede evitar completamente, pese a una formación buena de gránulos y suficientes capacidades del separador trifásico y del sistema de decantación, sin embargo, esta pérdida es tolerable y oportuna, ya que estos lodos floculentos interfieren de manera negativa en la formación de los gránulos (Böhnke et al., 1993). Las concentraciones de pérdida observadas no fueron significativas, alcanzando niveles máximos de 230 mg SST/L, que siempre estuvieron dentro el rango dado por Böhnke et al. (1993) de una concentración de SST del efluente de 0,05 a 1,1 g/L y de SSV de 0,2 a 0,6 g/L respectivamente.
Como contramedida se instaló un cono truncado hueco idéntico a la placa pre-instalada, directamente encima de la misma, pero en sentido opuesto. La placa fue fabricada en acrílico transparente por el Sr. Sergio Contreras V. de la Universidad de Chile (Santiago). Un dibujo junto a sus dimensiones se encuentra en el Anexo F. La Figura 6 muestra la modificación hecha, que garantizará pérdidas mínimas de gránulos y la operación segura bajo velocidades de flujo ascendente más elevadas.
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Resultados y Discusión
Sin modificación
44
Acumulación de lodos
Modificado
Figura 6: Modificación de la placa decantadora
La configuración garantiza la condición de van der Meer (1979) al interceptar el gas en el separador trifásico antes que entren los lodos al sistema de decantación. La placa decantadora tiene una pendiente de 47°, lo que asegura la decantación independiente (Böhnke et al., 1993).
La placa fue instalada al final del período de operación de los reactores, por lo tanto su funcionamiento no fue comprobado. Por el hecho que el corte horizontal del reactor no es un círculo exacto, sino un poco ovalado, hay que verificar de vez a cuando la impermeabilización de las placas que se llevó a cabo con silicona. 4.1.1.2 Sistema de Alimentación El bidón que almacena la alimentación cruda cuenta con dos bocas estrechas para su llenado. En la práctica esta característica se muestra muy desventajosa, tanto al llenarlo, como frente al ajuste de pH del RIL, lo que requiere la mezcla de su contenido.
Como el rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH, Böhnke et al. (1993) subraya la necesidad de corrección anticipada del pH. Como un pH bajo puede inhibir la formación de metano se propone el empleo de un sistema de ajuste de pH parecido al del reactor aerobio. Durante el marco del proyecto sin embargo eso no fue llevado a cabo debido a la falta de bombas peristálticas en el laboratorio. De todos modos, se instaló un enchufe al setpoint 1 para conectar una bomba en el futuro. Se propone además instalar otro Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Resultados y Discusión
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enchufe al setpoint 2 para evitar tanto un pH elevado como demasiado bajo. Como alternativa se podría operar las bombas a través de la unidad de control RTU.
Además se podría conectar la bomba de alimentación a los setpoint especiales (“alarmas”), para pararla en caso de emergencia, sea por un pH extremo en los reactores debido a un pH extremo en la alimentación, o por una concentración baja de oxígeno disuelto en el tanque de aireación provocada por sobrecarga. 4.1.1.3 Sistema de Recirculación Para garantizar una velocidad de flujo ascendente de 0,5 m/h se necesita un flujo mínimo de 11,1 L/h al atravesar el reactor.
En la práctica se observaron problemas con roturas en la manguera de bombeo de recirculación debido al desgaste provocado en el cabezal de la bomba ya mucho antes del tiempo de servicio garantizado por Cole-Parmer (1996). Para operar el reactor UASB a altas velocidades de flujo ascendente por lo tanto tendría que seleccionarse mangueras mejor adaptadas al desgaste, como el tipo NORPRENE (número 6404) de la marca MASTERFLEX. Otra opción es la utilización de mangueras de mayor diámetro interno como la SILICONE de alta performancia con un diámetro interno de 4,8 mm (número 96400-15) o de 6,4 mm (número 96400-24). De
r.p.m.
todos
modos
hay
que
establecer
un
mantenimiento
regular
de
las
bombas.
600
Di=3,1 mm
500
Di=4,8 mm
400
Di=6,4 mm
300
Tiempo de servicio: 150 h Tiempo de servicio: 300 h Tiempo de servicio: 450 h Tiempo de servicio: 825 h
200 100 0 0
1 2 Velocidad de flujo ascendente (m/h)
3
Figura 7: Tiempo de servicio para distintos modos de trabajo de las bombas peristálticas
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Resultados y Discusión
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En base a la Figura 7 se puede deducir en función del diámetro interno (Di) de la manguera de bombeo, tanto las revoluciones del cabezal para alcanzar la velocidad de flujo ascendente requerida, como el tiempo de servicio de la manguera garantizado por el fabricante. 4.1.1.4 Sistema de Calefacción El calentamiento del reactor UASB fue crítico durante todo el marco del proyecto. El ajuste de la temperatura con el material existente en el laboratorio de RILes solamente fue posible de manera indirecta, involucrando variables externas importantes como la temperatura del ambiente y el volumen del agua caliente en el baño. Para amortiguar la influencia de la temperatura del ambiente se cubrió el reactor y el baño con plumavit. Mejores resultados fueron logrados con una temperatura en el baño (lleno) de 53 °C, 6 minutos de trabajo (bomba de circulación y calefacción) y 15 minutos de pausa. Con tal forma de trabajo, sin embargo se evaporan alrededor de 2,5 L de agua durante 24 horas, lo que detuvo el sistema de calefacción al quedar debajo de cierto nivel crítico de agua. A través de un mejoramiento de la tapa del baño se logró el funcionamiento de la calefacción durante cinco días, sin necesidad de rellenar.
La temperatura del reactor UASB varió de 32 °C a 40 °C durante las fases cortas de funcionamiento óptimo. Pocas veces sufrió una temperatura más alta (hasta 45 °C), pero durante fases de mal funcionamiento de la calefacción debido a contactos intermitentes, el reactor operó a temperatura ambiental.
Se agregó un cable al output análogo del MONEC 8930 para poder transferir los datos de la temperatura medidos por el electrodo de pH (Pt100) a la unidad de control RTU. Aquella cuenta con dispositivos que pueden manejar el sistema de calefacción de manera directa según la temperatura actual dentro del reactor UASB, asegurando una temperatura constante. Sin embargo, dichos dispositivos, los llamados módulos “opto” de la RTU, solamente pueden conmutar intensidades de corriente de 3 A, lo que implica la involucración de otro equipo adicional para no dañar la RTU por la corriente nominal de 5,7 A que gasta el equipo de calefacción de la empresa HETO LAB EQUIPMENT.
Debido a esta intensidad de corriente alta no fue posible operar el equipo de calefacción a través de las alarmas del medidor de pH MONEC 8930 porque solamente pueden conmutar corrientes de 5 A (lo que equivale alrededor de 1,250 kW).
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Resultados y Discusión
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4.1.2 Fase Aerobia 4.1.2.1 Sistema de Aireación En general, el sistema de aireación funcionó bien durante el marco del proyecto. Desventajoso se mostraron el empleo de difusores de acuario de tamaño chico, el suministro del aire a través de mangueras que entran al reactor por debajo y la imposibilidad de realizar una histéresis confiable en la concentración de oxígeno disuelto dentro del reactor.
El relé del setpoint 1 del MONEC 8980 se encontró roto, lo cual hizo necesario el empleo del setpoint 2 (contacto auxiliar) para comandar al compresor de aire, cuya activación y desactivación ha funcionado perfectamente. Otro cambio se relaciona con la conexión eléctrica propuesta por SIMTECH, que se había demostrado inconveniente para un cambio fácil y rápido del compresor de aire. Se realizó además la conexión de cables adicionales al segundo output análogo para poder transferir ambos datos, de oxígeno disuelto y la temperatura a la unidad de control RTU.
Como alternativa se podría transferir el manejo del compresor a la RTU, lo que tiene como ventaja la posibilidad de programación directa de una histéresis de la concentración de oxígeno disuelto. Se probó programar una histéresis indirecta a través del uso del comando que permite una temporización del setpoint del MONEC. Sin embargo la velocidad de utilización de oxígeno depende fuertemente de la concentración de los MLVSS y el factor de carga aplicado, de manera que se muestra inadecuado e inexacto dicho procedimiento. De todos modos se presenta una histéresis real debido al retraso del electrodo de oxígeno en la medición, ya que los datos de muestreo son renovados cada 10 a 20 segundos.
Un resumen de la programación correcta del MONEC 8980 se da en el Anexo G.
La falla del sistema de aireación por la rotura de algunos de los difusores pequeños corrientes el día 17.10, después de solo 2 días de trabajo, hizo necesario su cambio por difusores tipo AS25 de la empresa TETRATEC. La razón que llevó al cambio completo a una combinación de cuatro difusores del tipo AS40 y uno del tipo AS45 fue la simplicidad para desconectar estos difusores más grandes de su soporte en el fondo del reactor, en comparación a los más chicos que se quebraron periódicamente. Más tarde se mostró que no fue necesario limpiarlos durante
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Resultados y Discusión
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todo el marco del proyecto, al contrario de los difusores corrientes y los AS25, cuya rotura supuestamente fue provocada por estar cubierto y tapado por una biopelícula de microorganismos. La entrada de las mangueras provenientes del compresor y la sujeción de los difusores en un tapón de goma perforado en el fondo del reactor, junto a la falta de un grifo de desagüe, hace complicado el vaciamiento del reactor y el cambio de los difusores, trabajo que dura aproximadamente una hora.
La inserción de los difusores y el suministro de aire desde arriba al reactor puede acelerar el mantenimiento de los difusores, sin parar el proceso completo debido a un necesario vaciamiento del reactor. 4.1.2.2 Equipo de Agitación Para mantener en suspensión los lodos floculentos y garantizar una corriente suficiente bajo el electrodo de oxígeno durante pausas del sistema de aireación, fue necesario elegir un número de revoluciones del impulsor de 600 r.p.m.
Una falla parcial del sistema de aireación con los difusores corrientes hizo necesario aumentar el número de revoluciones del agitador para mejorar la mezcla y así la eficiencia de la aireación. La siguiente Figura 8 muestra las concentraciones de oxígeno disuelto obtenidas para
Oxígeno disuelto (ppm)
diferentes números de revoluciones del agitador. 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Número de revoluciones (r.p.m)
Figura 8: Influencia del número de revoluciones del impulsor sobre la concentración del oxígeno disuelto durante fallas de difusores
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Resultados y Discusión
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Como consecuencia fue elegida el día 17 de Oct. un número de revoluciones de 2000 r.p.m para suministrar oxígeno adicional a través de aireación superficial mediante el agitador. Los resultados observados el próximo día fueron una homogenización de los flóculos de lodo y una disminución drástica de su capacidad de sedimentación, produciendo una distribución uniforme de los microflóculos en el clarificador secundario. Al reducir el número de revoluciones, tal situación se normalizó a la situación anterior los próximos días.
Después de la nueva inoculación con lodos del tanque de aireación de la planta de tratamiento de la industria cervecera local, del día 17 de Nov., se mostró que lodos de buen IVL no se pueden mantener en suspensión con el impulsor empleado aún bajo 600 r.p.m. Sin embargo, se conservó dicho número de revoluciones para no hacer más daño a los flóculos. El empeoramiento de las características de los lodos y el aumento del IVL es atribuido parcialmente a un cizallamiento de los flóculos en el tanque de aireación debido a un alto número de revoluciones.
Comparando las relaciones geométricas para un fermentador estándar que cuenta con una hélice marina con las del presente tanque de aireación, son reconocibles las dimensiones pequeñas del impulsor. Los valores se resumen en la Tabla 11.
Di/Dt
Pitch
Hi/Di
Nb
Ab/Dt
Fermentador estándar
1/3
Pitch = Di
1,0
4
1/10
Tanque de aireación
1/4,3
Ai = Di/5,6
2,1
4
1/13,4
Tabla 11: Relaciones geométricas para un fermentador estándar (según Vidal, 2000) y del tanque de aireación de la planta
Son dos los posibles mejoramientos futuros: •
Emplear un impulsor más grande según las relaciones geométricas dadas para un fermentador estándar y operarlo a un número de revoluciones más bajo.
•
Operar el agitador solamente durante las pausas de aireación. Esta condición hace necesario la conexión directa al relé del medidor de oxígeno que también manda al compresor de aire. Como alternativa se puede manejar el agitador a través de la unidad de control RTU.
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50
4.1.2.3 Clarificador Secundario El clarificador secundario cuenta con un grifo de desagüe para su vaciamiento y la purga de lodos. Para mantener la edad de lodos dentro el rango deseado durante el funcionamiento autónomo de la planta se tendría que conectar una bomba peristáltica que evacua el volumen de lodo necesario. La bomba será regulada a través de un temporizador. 4.1.2.4 Sistema de Recirculación de Lodos Se emplea un compresor de aire de acuario tipo 802 de la empresa ELITE en sustitución del AIRPUMP 3500 de la empresa COSMO AQUARIUM. El 802 cuenta con dos salidas de aire que se unieron para producir la presión y el flujo de aire necesario para llevar a cabo la recirculación, condición que AIRPUMP cumplió insatisfactoriamente. El 802 puede bombear 1,02 L/min, mientras el AIRPUMP solamente alcanza 0,14 L/min.
El factor de recirculación RAE fluctuó durante el marco del proyecto entre unos 25% hasta unos extremamente elevados 3500% durante fases de problemas graves de Bulking, situaciones que hacían necesario su ajuste frecuente a través de una re-programación de los temporizadores. 4.1.2.5 Sistema de Ajuste de pH El electrodo de pH enviado por SIMTECH no se podía usar debido a incompatibilidad de las conexiones del electrodo con el MONEC y por lo tanto fue devuelto a dicha empresa, que no ha suministrado un reemplazo.
A partir del día 20 de Nov. se operó el sistema de ajuste de pH tras la instalación de un nuevo electrodo de pH y se probó su funcionamiento perfecto bajo el mando del MONEC. Como alternativa se podría manejar la bomba a través de la unidad de control RTU.
Se podría pensar en el suministro tanto de ácido como base cuando la planta de tratamiento aerobio esté trabajando autónoma sin fase previa anaerobia o ajuste de pH anticipado. Una bomba de suministro de base al tanque de aireación mandada a través del MONEC o de la RTU podría mostrarse útil en tal caso.
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4.2 Análisis de la Unidad de Control 4.2.1 RTU La RTU fue fabricada por SIMTECH Ltda. Santiago y devuelta a dicha empresa, ya que no fue posible establecer comunicación entre la RTU y el PC. Por otro lado fue necesario hacer algunos cambios adicionales para poder conectar los cables del output de los medidores a las puertas análogas de la RTU. Lamentablemente no regresó dentro del marco de tiempo del presente proyecto, por lo cual lo siguiente podrá ser calificado solo como una estimación.
Al no poder establecer ninguna comunicación entre la RTU y el PC no fue posible bajar el programa interno, con el cual la RTU está programada, y estudiar su funcionalidad. SIMTECH tampoco fue capaz de entregarlo ni de explicarlo de manera satisfactoria. Por lo tanto, la pregunta principal y fundamental para el funcionamiento autónomo, o sea sin la presencia necesaria del computador (RTU-Terminal), quedará sin respuesta.
En la configuración entregada por SIMTECH no se ha provisto una comunicación bidireccional entre los MONEC y la RTU, ya que éstos cuentan solamente con cables de output análogo para transferir los datos análogos de medición.
Se podrían conectar los medidores MONEC directamente a un PC, ya que cuentan con puertas digitales de comunicación RS-232, que permiten un intercambio de información bidireccional, o sea traspasar los datos de medición al PC y al mismo tiempo la re-programación de los MONEC (por ejemplo los setpoint para efectuar una histéresis). En tal caso seria necesario que el PC cuente con 3 puertas seriales (COM2-COM4) para conectar cada MONEC. Los datos podrían ser traspasados a través de cualquier programa de comunicación estándar como por ejemplo el HYPERTERMINAL de la familia WINDOWS 9x/200x. Una ventaja es que vienen en una forma fácilmente importable a programas de cálculo de tablas como EXCEL. Es evidente que un funcionamiento autónomo de la planta sin presencia del PC no se podrá efectuar sin la pérdida de los datos de medición, ya que los MONEC no cuentan con memoria para guardarlos. Sin embargo, el PC no es necesario para activar los dispositivos, ya que se encuentran bajo mando directo de los MONEC.
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Se puede sospechar, sin embargo, que al emplear la RTU junto a un PC que cuente con el programa de control RTU-Terminal, la RTU es capaz de realizar tareas adicionales a las realizadas en una configuración directa de planta junto a un PC estándar. Suena lógico, que la RTU tiene que ser capaz de guardar los datos de medición mientras la planta esté funcionando de manera autónoma sin presencia del PC y al conectarlo traspasar los datos guardados para su posterior procesamiento. Además, la RTU es capaz tanto de recibir datos de fuentes análogas como de comandar dispositivos exteriores a través de sus módulos ‘opto’.
Se puede calcular la memoria requerida para guardar los datos de medición según la siguiente formula:
memoria = dato * cantidad * frecuencia * 24h/d * días / 1024Byte/kB
donde: memoria (kB):
Cantidad de memoria necesaria
dato (Byte):
Cantidad de Bytes que necesita un dato de información. Son 2 en el caso de los MONEC, ya que el convertidor análogo-digital de la RTU tiene 10 bit. Cantidad de puntos de muestreo. Son 5 en el caso de la planta (pHAE,
cantidad:
T°AE, OD, pHAN, T°AN). -1
frecuencia (h ):
Frecuencia de medición
días (d)
Días a funcionar autónomamente
La siguiente Figura 9 muestra gráficamente esta fórmula. Dado que la RTU cuenta con una memoria básica de solamente 32 o 128 kB, se puede deducir, que a elevadas frecuencias de medición surgirá la necesidad de instalar memoria adicional hasta un máximo permitido de 512 kB para garantizar largos períodos de funcionamiento autónomo. Si la RTU está equipada con solamente 32 kB de memoria, será posible solamente una frecuencia de medición inferior a 10 minutos cada variable para un período de funcionamiento autónomo de una semana, ya que la memoria se reparte entre el programa de RTU y sus variables, o sea el espacio para guardar los datos de medición. Cabe mencionar que se pueden optimizar los requerimientos de memoria, ya que la frecuencia de medición de los distintos puntos de muestreo no necesariamente tiene que ser la misma. Se puede aumentar la del OD y de pH y reducir la de la
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Temperatura. También se puede pensar en codificar los datos con un solo Byte, sin embargo se perdería información y bajaría la exactitud, reduciendo el número de cifras significativas.
128 112 96 Frecuencia: 180/h Frecuencia: 60/h Frecuencia: 12/h Frecuencia: 6/h
80 64 48 32 16 0 0
2
4
6
8
10
Días a funcionar autónomamente (d) Figura 9: Memoria requerida de la RTU para guardar los datos de muestreo durante los días de funcionamiento autónomo a distintas frecuencias de medición
Cabe mencionar que la clave de ingreso a la RTU es 1234.
4.2.2 RTU-Terminal No se pueden predecir las capacidades gráficas del programa RTU-Terminal a causa de que nunca se ha logrado establecer una comunicación entre la RTU y RTU-Terminal, ni se puede estimar si los archivos ‘log’ creados por el programa se pueden visualizar satisfactoriamente en el RTU-Terminal. Tampoco se sabe si se pueden importar los datos en programas de cálculo de tablas como el EXCEL, debido al desconocimiento del formato de datos de los archivos.
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4.3 Operación de la Planta con un RIL de la Industria Cervecera 4.3.1 Descripción del Período de Operación El período de operación de la planta abarca 43 días entre Octubre y Noviembre del año 2000, el cual se dividió en tres fases características, que se definen de la siguiente manera: • Fase 1: 16 de Oct. al 23 de Oct. Fase en donde se lleva a cabo la puesta en marcha del reactor aerobio con la inoculación y la conexión del primer RIL, que es suministrado directamente al tanque de aireación. Problemas de operación graves por espumas. • Fase 2: 23 de Oct. al 17 de Nov. El reactor UASB es puesto en marcha, lo que completa el sistema de tratamiento acoplado anaerobio-aerobio. Las espumas desaparecen casi completamente, sin embargo el efecto de Bulking no permite una operación normal a TRH cortos. • Fase 3: 17 de Nov. al 27 de Nov. El reactor aerobio es inoculado nuevamente con lodos activados de la planta de tratamiento de la industria cervecera local. En esta fase falla completamente el sistema de calefacción del reactor UASB.
El TRHAE fue reducido subsecuentemente de 24 a 4,2 h durante todas las fases con cada cambio del RIL suministrado, lo que equivale una reducción del TRHAN de 28,1 a 4,9 h. Unidades convencionales de lodos activados trabajan a TRH entre 5 y 14 h el cual puede extenderse hasta 72 horas en sistemas de aireación prolongada (Gray, 1990), mientras el TRH de reactores UASB empleados en la industria cervecera está comprendido entre 4,6 y 11,3 h (Böhnke et al., 1993). Problemas de operación y medidas de control Durante ninguna fase se logró una operación estable de la planta que permitiera establecer los balances de masa. Problemas graves resultaron por la aparición de espumas que causaron pérdidas de lodos debido a rebalse. Además ocurrió un crecimiento de biopelículas en las paredes y en los difusores del tanque de aireación. El efecto de Bulking se agravó con el aumento del flujo suministrado y la reducción del TRH, resultando una velocidad de flujo ascendente creciente en el clarificador secundario, que compite con la velocidad de sedimentación reducida de los lodos voluminosos. Además, los flóculos tienden a estar muy livianos con una alta relación de MLVSS/MLSS (véase capítulo 4.3.3.5). Se observaron flóculos
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pequeños con niveles de Bulking entre 3 y 5 (definición según Tabla 10). En resumen, la concentración de biomasa activa expresada como MLVSS resultó bajo lo normal para un sistema de lodos activados y se puede estimar una edad del lodo (TRC) reducida, que puede aportar a problemas de operación. Medidas de control fueron el establecimiento de una concentración de oxígeno disuelto elevado (véase capítulo 4.3.3.3), una adaptación frecuente de la tasa de recirculación de lodos, el empleo de nutrientes adicionales y finalmente la nueva inoculación con lodos adaptados al RIL empleado.
El funcionamiento inestable del sistema de calefacción (véase capítulo 4.1.1.4) produjo una gran gama de eficiencias de remoción del reactor UASB (véase capítulo 4.3.3.4) que se expresa en cargas volumétricas y factores de carga muy cambiantes aplicados al tanque de aireación (véase capítulo 4.3.3.6). Se estima que la alimentación cruda a pH debajo de lo óptimo aportó adicionalmente a baja eficiencia de remoción (véase capítulo 4.3.3.1), lo que hizo necesario su frecuente ajuste.
4.3.2 Caracterización de RILes Usados en la Planta Se operó la planta con RILes provenientes de una industria cervecera. La DQOtotal estuvo comprendida entre 2005 y 3190 mg/L. La relación DBO5/DQOtotal observada es mayor al valor promedio de 0,63 dado por CCU (2000a), destacando la buena degradabilidad de los RILes. La tasa de la DQOsoluble alcanza más del 95% de la DQOtotal, por lo cual bastó con la determinación de la última; sin embargo, la materia orgánica consumida por la biomasa teóricamente sólo es la fracción biodegradable de la DBOsoluble. Llama la atención las concentraciones muy elevadas de fosfato (hasta 130 mg/L), que fue determinado como fósforo reactivo, lo que se puede explicar debido al uso de ácido fosfórico como desinfectante y agente limpiador en la planta de elaboración de cerveza (CCU, 2000a). El nitrógeno esta comprendido entre 20,1 y 36,7 mg/L. Los sólidos suspendidos totales están debajo del valor de diseño previsto de 600 mg/L (Kristal, s/a) debido a la posibilidad de que éstos sedimentan en el bidón de alimentación.
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La siguiente Tabla 12 da un resumen de la caracterización de los RILes usados durante el marco del proyecto, junto a los TRH que se empleó.
RIL
Período
DQOtotal DBO5 (mg/L)
DBO5/
NTK
PO4-P
SST
SSV
(mg/L) DQOtotal (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)
1°
16.10-24.10
3185
2°
24.10-07.11
2005
1770
3°
07.11-17.11
3190
4°
17.11-24.11
2645
5°
24.11-27.11
2585
217
TRHAN TRHAE (h)
(h)
28,1
24
21,0
16
22,9
31,5
300
0,88
20,1
38,0
177
2700
0,85
29,6
32,5
183
170
14,0
12
2350
0,89
28,8
130
220
160
8,3
7,1
36,7
28,5
4,9
4,2
Tabla 12: Caracterización de los RILes utilizados y los TRH empleados
Al superar la relación óptima de DQO:N:P = 800:5:1 no se supone inhibición nutricional para un proceso anaerobio (ATV-FA, 1990), condición que es cumplida como se muestra en la siguiente Tabla 13, sin embargo para la siguiente fase aerobia sí se puede sospechar tal inhibición, por lo cual tanto en la planta de tratamiento de RILes de la industria cervecera local como durante el marco del proyecto se emplea urea como fuente adicional de nitrógeno.
RIL
Período
DQO
NTK
PO4-P
1°
16.10-24.10
800
5,8
7,9
2°
24.10-07.11
800
8,0
15,2
3°
07.11-17.11
800
7,4
8,2
4°
17.11-24.11
800
8,7
39,3
5°
24.11-27.11
800
11,4
8,8
Tabla 13: Análisis de la razón DQO:N:P de los RILes empleados durante el proyecto
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4.3.3 Parámetros de Control 4.3.3.1 pH El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un pH óptimo, como la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH (Böhnke et al., 1993). El problema de la corrección anticipada del pH en el bidón es discutida en el capítulo 4.1.1.2, con la consecuencia que con valores de 5,7 el pH del RIL crudo que entra al reactor UASB se encuentra en el límite inferior, y a veces queda debajo del óptimo. La baja de los pH en el bidón refleja el aumento del grado de acidificación de la materia orgánica presente en el RIL. Al quedarse debajo de un pH 5 fueron reportados daños a la biología y una baja de la eficiencia de la remoción, mientras la operación de un reactor UASB con elevado grado de acidificación (75%) y un pH de 6,3 del RIL suministrado al reactor no influye negativamente (Rosenwinkel et al., 1996).
Sin embargo se debería esperar un pH del efluente superior al afluente, lo que en la planta no fue observado, lo que puede indicar la inhibición de la metanogénesis. Además, al operar el reactor en el laboratorio a un pH supuestamente inferior al del reactor de su origen, las adaptaciones necesarias de la biología al nuevo ambiente pueden explicar la baja eficiencia de remoción de la DQO.
Para un sistema de lodos activados, el pH óptimo del licor para un adecuado funcionamiento está comprendido entre 6,5 y 8,0. El RIL que entra es diluido con los contenidos del tanque de aireación y neutralizado por el CO2 producido por la respiración microbiana (Eckenfelder, 1989). El pH del tanque de aireación se mantiene constantemente alrededor de 8,0, debido al bicarbonato resultante que presenta buena capacidad de buffer alrededor de tal pH y no varía aún bajo suministro de efluentes ácidos desde el reactor UASB, que están comprendidos en un rango de 6,0 a 7,0. A veces, el pH presenta valores mayores a 8,0, escapándose del rango óptimo de operación, por lo cual fue ajustado el pH usando el medidor MONEC a un valor umbral de 7,5 después del día 21 de Nov., al instalar un electrodo de pH para la medición continua.
Los valores analizados de pH se resumen en el Anexo A.
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4.3.3.2 Temperatura Los lodos activados operan a temperatura ambiente del laboratorio y por lo tanto están comprendidas en el rango de 13,0 a 23,5 °C. Una influencia significante sobre la eficiencia de la purificación no fue observada.
El sistema de calentamiento del reactor UASB es crítico, como se describió en el capítulo 3.1.1.3 abandonando frecuentemente el rango óptimo de 30 a 40 °C, con su máximo entre 35 y 37 °C de los microorganismos mesófilos (Böhnke et al., 1993). La influencia sobre la eficiencia de purificación es significativa, ya que durante fases de falla del sistema de calefacción la eficiencia estuvo comprendida entre un 20 a 30 %, mientras que durante fases de funcionamiento óptimo alcanzó hasta un 68 %.
Los valores analizados de la temperatura se resumen en el Anexo A. 4.3.3.3 Oxígeno Disuelto (OD) Aparte del período corto con problemas con los difusores (véase capítulo 4.1.2.2) se garantiza una concentración mínima de oxígeno disuelto en el tanque de aireación de 2,0 mg/L, según lo recomendado en la literatura (Ronzano et al., 1995). Se adaptó este valor umbral según las necesidades de operación de la siguiente manera:
Durante la fase 1 y períodos de aparición de espumas se operó a dicho valor mínimo, para minimizar las pérdidas de lodos debido al rebalse. En la fase 2, durante el crecimiento excesivo de microorganismos filamentosos, se programó una concentración mínima de 4,0 mg/L para garantizar condiciones más favorables para los microorganismos formadores de flóculos. En la fase 3 se operó la planta a una concentración de 3.0 mg/L por la elevada carga volumétrica aplicada debido al corto TRH y la falla del sistema de calentamiento del reactor UASB.
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4.3.3.4 Demanda Química y Bioquímica de Oxígeno (DQO y DBO5) La fase posterior a la puesta en marcha de la planta se puede explicar como la adaptación a la nueva alimentación y la producción de biomasa dentro del reactor aerobio, que pronto se ve afectada por pérdidas de lodos por rebalse. La eficiencia de remoción de DQOtotal varía aumentando de un 45% a 81% para después disminuir a un 50%.
En la segunda fase, al poner en marcha el UASB, se logró tasas de remoción de un 50 a un 68% en el UASB y sumadas a un 79 hasta 91% de remoción en el sistema de lodos activados, producen una remoción total del tratamiento acoplado anaerobio-aerobio de la DQOtotal de un 90 a un 97%. Así se alcanza concentraciones de DQOtotal del efluente de 56 mg/L. Al final de esta fase se disminuye la eficiencia total, debido tanto a fallas del reactor anaerobio como a los problemas de Bulking ocurridos en el sistema de lodos activados, que resulta en la nueva pérdida de lodo.
En la tercera fase falló el sistema de calefacción del reactor UASB, disminuyendo la eficiencia de remoción a solamente 12 a 20%, mientras que en el sistema de lodos activados nuevamente inoculado presenta eficiencias de remoción altas entre un 81 a un 94% aún bajo cargas altas y TRH corto. La eficiencia de remoción total varía entre un 86 a un 97%.
Un resumen de los valores de medición se dan en el Anexo B. 3500 DQO(0) DQO(E, AE) DQO(S)
DQOtotal (mg/L)
3000 2500 2000 1500 1000 500
27. Nov
25. Nov
23. Nov
21. Nov
19. Nov
17. Nov
15. Nov
13. Nov
11. Nov
09. Nov
07. Nov
05. Nov
03. Nov
01. Nov
30. Oct
28. Oct
26. Oct
24. Oct
22. Oct
20. Oct
18. Oct
16. Oct
0
Días de operación Figura 10: DQOtotal durante el período de operación
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La eficiencia de remoción de la DBO5 en el tanque de aireación generalmente supera los 80%, resultando en una eficiencia de remoción total entre un 94 y un 98 %. Sin embargo, también se ve afectada por el funcionamiento del reactor anaerobio, donde la relación DBO5/DQOtotal presenta una amplia gama y en ningún momento se alcanza la relación DBO5/DQOtotal de 0,2 del efluente de salida de la planta de tratamiento de RILes de la industria cervecera local, lo que indica que rendimientos máximos del tratamiento no fueron alcanzados.
RIL
Fecha
Entrada reactor AN DQOtotal (mg/L)
DBO5 (mg/L)
DBO5/ DQOtotal
Entrada reactor AE
Salida clarificador
DQOtotal DBO5 DBO5/ DQOtotal DBO5 DBO5/ (mg/L) (mg/L) DQOtotal (mg/L) (mg/L) DQOtotal
2°
26. Oct.
2005
1770
0,88
1138
550
0,48
320
105
0,33
3°
08. Nov.
3190
2700
0,85
1183
650
0,55
101
30
0,30
4°
22. Nov.
2645
2350
0,89
1973
1450
0,73
371
135
0,36
Tabla 14: Relaciones DBO5:DQO para distintas fases del tratamiento
Para futuros cálculos se utilizará una relación promedio (DBO5/DQOtotal)0 de 0,87 en vez de utilizar el valor de referencia de 0,63 dado por CCU (2000a) y una relación promedio (DBO5/DQOtotal)E, AE de 0,59. 4.3.3.5 Sólidos Suspendidos Totales y Volátiles (SST y SSV) Mixed Liquor Volatile Suspended Solids (MLVSS) e Indice Volumétrico de Lodos (IVL) La biomasa del sistema de lodos activados aumentó después de la puesta en marcha y su inoculación con lodos provenientes de un reactor alimentado con RILes de una industria de tableros prensados, de 975 mg/L a 1466 mg/L, para disminuir después a causa de pérdidas por rebalse debido a espumas. Desde un principio, los lodos presentaron malas propiedades, resultando en un IVL mayor que los valores óptimos, lo que sin embargo se mejoró de 770 mL/g a 557 mL/g. Durante el efecto de Bulking disminuyó constantemente la biomasa dentro del reactor.
En la segunda fase se pudieron lograr concentraciones de MLSS de hasta 2166 mg/L y de MLVSS de 1800 mg/L respectivamente. En este tiempo, el IVL disminuyó hasta 424 mL/g, sin embargo debido al aumento continuo del caudal de alimentación aumentó la velocidad de flujo superficial en el clarificador secundario, superando la velocidad de sedimentación de los flóculos e impidiendo el espesamiento apropiado de los lodos, por lo cual los lodos fueron
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61
arrastrados desde el tanque de aireación al clarificador, ya que el flujo másico de lodo que retornó la bomba de recirculación al tanque de aireación fue cada vez menor. Al final de esta fase la concentración de MLSS disminuyó a solo 980 mg/L, lo que corresponde a 800 mg MLVSS/L y el IVL superó los 1000 mL/g. La relación MLVSS/MLSS se mantuvo, aunque con cambios fuertes, entre un 75% y un 90%.
Después de la nueva inoculación con lodos de la planta de tratamiento de la industria cervecera local se lograron concentraciones mayores que 4,0 g MLSS/L, debido a una nueva bomba de recirculación y a las mejores propiedades del lodo. Sin embargo, el IVL empeoró constantemente de 48 mL/g a 163 mL/g, lo que se pudo deber al cizallamiento de los flóculos debido a la agitación del impulsor. También se observa que la relación MLVSS/MLSS sube de un 50% hasta 85%, lo que puede explicar los flóculos livianos.
Se comprueba la observación de Wagner (1984) que valores de la relación MLVSS/MLSS superiores a 0,75 son críticos para la aparición del Bulking y coinciden con IVLs elevados. 1050 SST(AE) SSV(AE) IVL
6000 5000
900 750
4000
600
3000
450
2000
300
1000
150 27. Nov
24. Nov
21. Nov
18. Nov
15. Nov
12. Nov
09. Nov
06. Nov
03. Nov
31. Oct
28. Oct
25. Oct
22. Oct
19. Oct
0 16. Oct
0
IVL (mL/g)
Sólidos suspendidos (mg/L)
7000
Figura 11: SSTAE, SSVAE y IVL durante el período de operación
SST y SSV en los Caudales de Alimentación Cruda, Entrada AE, Salida Clarificador En la alimentación cruda que entra al reactor UASB se registraron concentraciones de SST0 entre 83 y 334 mg/L y una relación SSV0/SST0 = 0,80, mientras que el caudal que entra al tanque de aireación, la relación bajó a SSVE, AE/SSTE, AE = 0,75 y las concentraciones de SST variaron entre 77 y 230 mg/L. Estas concentraciones relativamente bajas indican que los pellets
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Resultados y Discusión
62
tienen buenas características, por lo cual se puede operar el reactor a velocidades de flujo ascendente más elevadas. Sin embargo, en el tanque de aireación, durante fases graves de Bulking y corto TRH, se observaron pérdidas relativamente altas de MLSS y las concentraciones de SSTS alcanzaron hasta 780 mg/L, con una tasa de SSVS/SSTS = 0,87. La concentración mínima fue de 75 mg SST/L con IVLs bajos. La siguiente Figura 12 muestra los datos de medición junto a los análisis de regresión lineal y los coeficientes de correlación obtenidos.
Sólidos Suspendidos Volátiles (mg/L)
700
SSV(S) = 0,87xSST(S) R2 = 0,9764
600 500 400 300
SSV(0) = 0,80xSST(0) R2 = 0,8373
200
SSV(E,AE) = 0,75xSST(E,AE) R2 = 0,941
100
Alimentación cruda Entrada AE Salida Clarificador
0 0
100
200
300 400 500 600 Sólidos Suspendidos Totales (mg/L)
700
800
Figura 12: SST y SSV en los Caudales de la Alimentación Cruda, Entrada AE y Salida Clarificador
No fue posible establecer una relación entre SS y turbidez, cuyos valores medidos se muestran en el Anexo A. 4.3.3.6 Parámetros de Operación Carga Volumétrica (CV) La carga volumétrica aplicada al reactor UASB (CVAN) fue aumentada paulatinamente, ya que con cada cambio en la alimentación se aumentó el caudal de alimentación, disminuyendo al mismo tiempo los TRH. Finalmente alcanzaron valores de hasta 12,7 kg/(m3*d), considerado como máximo aplicable a reactores UASB por algunos autores (Lettinga et al., 1990; Böhnke et. al, 1993, véase Tabla 2).
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Resultados y Discusión
63
En el caso del tanque de aireación, la carga volumétrica aplicada es afectada también por el rendimiento de la remoción de la DQO del reactor UASB, que varió durante el marco del proyecto. Además, la DBO5 fue determinada pocas veces, por lo cual se utilizó el valor de la DQO corregido por un factor que representa la relación promedio DBO5/DQO. Durante la alimentación de los primeros dos RILes disminuyó constantemente de 1,9 a 0,4 kg/(m3*d); Esta situación se ve afectada por bajas en el rendimiento de la remoción del reactor UASB, llegando a cargas volumétricas aplicadas de 2,7 kg/(m3*d), para finalmente alcanzar hasta 6,5 kg/(m3*d) durante la fase 3 a TRH de 4 horas y cuando falló el sistema de calentamiento del reactor UASB. En tratamientos convencionales la CV está comprendida entre 0,4 y 1,5 kg DBO5/(m3*d) y en el régimen de aireación prolongada de solamente 0,03 a 0,15 kg DBO5/(m3*d) (Gray, 1990; Rosenwinkel et al., 1996). Factor de Carga (F/M) El factor de carga evoluciona generalmente en paralelo a la carga volumétrica, ya que se deriva de ella. Con el aumento de los MLSS durante la fase 1 disminuyó constantemente de 1,6 a 0,3 d-1, mientras que debido a pérdidas de MLSS durante la fase 2 se alcanzó valores de hasta 3 d-1, situación que cambió bruscamente por la nueva inoculación, pese a que los valores subieron desde 0,2 a 0,8 d-1, debido a la baja en el rendimiento de la remoción de la materia orgánica en la fase anaerobia.
Para la mayoría de las aguas residuales el valor óptimo de la relación F/M se encuentra dentro de los límites de 0,3 y 0,6 kg DBO5/(kg*d), ya que valores fuera de este rango conducen a lodos de mala decantabilidad (Ramalho, 1995). En las fases 1 y 2 los lodos siempre tuvieron malas características, aún dentro de dicho rango. Para la fase 3 se puede observar una disminución en la decantabilidad, o sea un aumento del IVL en combinación con el aumento del factor de carga, sin embargo, como se mencionó anteriormente, influyen otros factores más en el efecto observado. Sin embargo, nunca se logró un valor inferior al valor umbral de 0,1 kg DBO5/(kg*d), que garantizaría con alta seguridad un proceso estable (aireación prolongada) evitando el efecto de Bulking (Rosenwinkel et al., 1996), que implicaría una concentración elevada de MLSS.
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
64
3,5 CV(AN)
12
3
CV(AE)
10
2,5
F/M
27. Nov
24. Nov
21. Nov
18. Nov
15. Nov
0 12. Nov
0 09. Nov
0,5 06. Nov
2 03. Nov
1
31. Oct
4
28. Oct
1,5
25. Oct
6
22. Oct
2
19. Oct
8
Factor de Carga (1/d)
14
16. Oct
Carga volumétrica (kg/(m3*d))
Resultados y Discusión
Figura 13: Parámetros de control (CVAN, CVAE y F/M) durante el período de operación
4.3.3.7 Remoción de Nutrientes El nitrógeno (expresado como NTK) fue removido hasta un 66%. El valor de 20,8 mg/L que ocurrió durante del 2° RIL se puede explicar con la alimentación adicional que fue dada en el caso del mal funcionamiento del UASB, para mantener la relación de la alimentación DBO5:N por encima de 100:5, mostrando claramente que las suposiciones hechas en el capítulo 3.4.2 son demasiados conservadoras. El fósforo solamente se midió como fósforo reactivo. Se presentaron concentraciones de salida incluso más elevadas que la de entrada. Una explicación puede ser la utilización de otras formas de fósforo a través de los microorganismos y la liberación de fosfato durante el proceso. RIL
Período
NTK0
NTKS
PO4-P0
PO4-PS
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
(mg/L)
1°
16.10 - 24.10
22,9
13,3
31,5
34,5
2°
24.10 - 07.11
20,1
20,8
38,0
34,0
3°
07.11 - 17.11
29,6
12,5
32,5
37,5
4°
17.11 - 24.11
28,8
9,2
130
135
5°
24.11 - 27.11
36,7
---
28,5
---
Tabla 15: Remoción de nutrientes durante el proyecto
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Conclusiones y Recomendaciones
65
5 Conclusiones y Recomendaciones Se realizó la puesta en marcha de una planta acoplada anaerobia-aerobia a escala de laboratorio para el tratamiento de residuos líquidos usando efluentes de una industria cervecera. Tal configuración permite alcanzar niveles muy altos de rendimiento de remoción de la contaminación orgánica expresada como DQO y DBO5. El desarrollo del reactor UASB permite la aplicación de altas cargas volumétricas, reduciendo por lo tanto el costo de inversión y de operación. Sin embargo es necesario preocuparse también de la remoción de nutrientes, sobre todo cuando ellos representan cargas importante, como en el caso del fósforo en RILes de la industria cervecera.
Se identificaron varias áreas donde hay que destinar futuros mejoramientos para la planta. Aquellos llevados a cabo durante el período del proyecto son relacionados principalmente a la configuración hecha por SIMTECH, el fabricante de la planta y no requirieron grandes inversiones, pese al aumento drástico de su funcionalidad. Teniendo en cuenta uno de los objetivos principales iniciales relacionado con el funcionamiento de la planta - funcionamiento autónomo durante un período de por lo menos una semana - se recomienda diseñar todos sus dispositivos (mangueras, almacenamiento de reactivos) para lograr tal meta. Durante el período del proyecto no fue posible equipar la planta como para cumplir este objetivo debido a la falta de bombas peristálticas adicionales (purga, ajuste de pH) y más grave aún, debido a la falta de sensores de pH. Además falló el sistema de calentamiento lo que significará inversiones adicionales necesarias para el Laboratorio de RILes UFRO.
Con respeto a la inoculación es necesario llevarla a cabo con lodos de buenas características. La mencionada falta de dispositivos provocó un proceso altamente inestable y rendimientos de remoción de la carga orgánica cambiantes, empeorando las características de los lodos activados, produciéndose muy pronto el problema de Bulking. Pese a estos problemas se lograron eficiencias en la remoción de la carga orgánica (expresada como DQO) cercanas a lo establecido en la literatura. Como óptimo se alcanzaron rendimientos cercanos al 70% para la fase anaerobia y 92% para la fase aerobia y un rendimiento total de 97%, destacando la buena degradabilidad de RILes de la industria cervecera. Con respecto a la configuración de la planta acoplada, hay que pensar en medidas generales contra la ocurrencia de flóculos livianos. Eso se debe a requerimientos antagónicos de los dos reactores. Resulta negativo en la formación de flóculos pesados la condición de alimentar al reactor UASB con la menor concentración de SS
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Conclusiones y Recomendaciones
66
posible. En vez de emplear productos químicos en la fase aerobia, un by-pass o la alimentación del tanque de aireación con lodos decantados desde el bidón de almacenamiento parece la solución adecuada. Para RILes fácilmente degradables hay que prever su almacenamiento refrigerado.
Para un análisis más profundo habría que determinar además la cantidad y composición del biogas generado en función de la carga orgánica eliminada. A través de la composición se podrá deducir si el metabolismo anaerobio muestra alguna inhibición o no. El biogas podría servir para la calefacción del reactor anaerobio, que significaría un ahorro importante de insumos, o en el caso de la planta de tratamiento de la industria cervecera local, un aumento de la eficiencia de los reactores UASB, ya que no cuentan con un sistema de calefacción.
La unidad de control RTU junto al programa RTU-Terminal requerirán un análisis más profundo cuando el fabricante SIMTECH haya realizado los cambios necesarios. El criterio final tiene que ser el funcionamiento autónomo sin presencia de un PC. Por lo tanto hay que diseñar el programa interno de la RTU de tal manera que pueda guardar los datos de medición durante un período prolongado. Pese a lo mencionado, la unidad de control no permite comandar todos los dispositivos a instalar, ya que cuenta solamente con un número muy reducido de conexiones (“módulos opto”) por lo cual la mayoría de las bombas y compresores de la planta deben ser comandados directamente a través de los mismos medidores o a través de temporizadores.
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Nomenclatura
67
6 Nomenclatura Abreviación
Unidad
Descripción
bit
Unidad mínima de información del sistema binario
Byte
Unidad de información (1 Byte = 8 bit)
HL
Hectolitro
kB
Unidad de información (1 kB = 210 Byte)
µmax
h-1
Velocidad máxima específica de crecimiento
baud
bit/s
CV
Velocidad de transferencia de información 3
kg DBO5/(m *d) Carga Volumétrica kg DQO/(m3*d)
DBO5
mg/L
Demanda Bioquímica de Oxígeno durante cinco días
DQO
mg/L
Demanda Química de Oxígeno
F/M
kg DBO5/(kg*d) Carga másica/Factor de Carga (ingl. Food/Microorganisms)
IVL
mL/g
Índice Volumétrico de Lodos
KS
mg/L
Constante de saturación (ingl. Half-velocity constant)
LCD
Liquid Crystal Display
MLSS
mg/L
Sólidos suspendidos de licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Suspended Solids)
MLVSS
mg/L
Sólidos suspendidos volátiles de licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)
NTK
mg/L
Nitrógeno Total Kjeldahl
OD
mg O2/L
PC r.p.m
Oxígeno Disuelto Computador Personal
-1
min
Revoluciones Por Minuto
RIL
Residuo Industrial Líquido
s/a
Sin año
SS
mg/L
Sólidos Suspendidos
SST
mg/L
Sólidos Suspendidos Totales
SSV
mg/L
Sólidos Suspendidos Volátiles
T°
°C
Temperatura
TRC
d
Tiempo de Residencia Celular (Edad del lodo)
TRH
h
Tiempo de Residencia Hidráulica
UASB
Manto de lodo de flujo ascendente (ingl. Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
UFRO
Universidad de La Frontera, Temuco
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Nomenclatura
68
Signo
Valor
η
Descripción Eficiencia de remoción
Ab
=
18 mm
Ancho de los deflectores
Ai
=
10 mm
Pitch del impulsor
Di
=
56 mm
Diámetro del impulsor
Dt
=
241 mm
Diámetro del tanque de aireación
Hi
=
120 mm
Posición vertical del impulsor
Nb
=
4
Número de deflectores
Q
Caudal
RAE
Factor de recirculación de lodos
S
Concentración de sustrato
VAE
=
12,5 L
Volumen útil (neto) del reactor aerobio (tanque de aireación)
VAN
=
14,8 L
Volumen útil (neto) del reactor anaerobio (UASB)
VIVL
Volumen ocupado por el lodo después de sedimentar 30 min.
X
Concentración de SST
Subíndice
En leyendas Descripción
0
(0)
Alimentación cruda
AE
o
(AE)
Aerobio, tanque de aireación
AN
o
(AN)
Anaerobio, reactor UASB
E
Entrando, afluente
P
Purga
R
Recirculación
S
o
(S)
Saliendo, efluente, salida clarificador
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Anexos
I
Anexo A Día de
Análisis físico-químico
Fecha
operación
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
pH0 16. Oct 17. Oct 18. Oct 19. Oct 20. Oct 21. Oct 22. Oct 23. Oct 24. Oct 25. Oct 26. Oct 27. Oct 28. Oct 29. Oct 30. Oct 31. Oct 01. Nov 02. Nov 03. Nov 04. Nov 05. Nov 06. Nov 07. Nov 08. Nov 09. Nov 10. Nov 11. Nov 12. Nov 13. Nov 14. Nov 15. Nov 16. Nov 17. Nov 18. Nov 19. Nov 20. Nov 21. Nov 22. Nov 23. Nov 24. Nov 25. Nov 26. Nov 27. Nov
pH pHE. AE pHAE
pHS
Turbidez (NTU) Tur0 TurE. AE TurS -----------
Temperatura (°C) AE AE AN mañana tarde mañana 20,0 ----16,5 20,0 -------
AN tarde -----------
16,8
42,0
-----------
7,2 7,1 7,1 7,0 6,9
8,0 7,9
7,8 7,7
7,8
7,7
6,7 6,5 6,7 6,4 6,5
6,7 6,4 6,7 6,5 6,5
8,2 8,1 8,0 7,8 8,0
8,0 7,9 7,8 7,6 7,9
6,8 6,8
6,9 6,9
8,0 7,9
8,0 7,8
79,6
50,1
5,90
7,1 7,0
7,1 7,0
8,1 8,2
8,0 7,7
46,7 158
36,8 38,5
13,1 26,6
17,6
7,1 6,9 6,6 6,3 6,5
7,2 7,2 6,8 6,2 6,5
8,0 8,2 8,2 8,0 8,3
7,9 8,1 8,0 7,9 8,0
40,0 331 176 215
32,9 61,0 98,7 111
11,6 7,04 5,47 17,2
14,0 14,0 16,1 15,0 14,5
5,8 7,5 7,1 7,0 6,8
5,8 7,4 7,2 7,0 6,7
8,0 8,1 8,0 8,0 8,0
7,7 7,9 7,8 7,8 7,8
91,8
154
83,2
154
84,5
298
6,2 5,9 6,3 6,8 6,8
5,8 5,3 5,6 5,8 6,0
8,1 7,6 7,3 7,3 7,5
8,1 7,6 7,5 7,5 7,3
297 94,6 45,6 93,4 200
136 123 89,8 95,1 99,3
5,25 5,51 6,68 16,3 19,5
16,5 16,4 17,0
17,0
6,8
6,5
7,5
7,3
183
101
16,8
17,5
17,5
22,4 17,0
16,0 17,8
18,8
40,0
16,0 32,2 32,6
17,3
13,1 15,1 17,0
35,4 31,9
19,0
15,9
22,2 23,5
16,4
33,5
14,0 14,0 25,3 41,4 17,4
19,0 36,0
13,5 35,4 37,8
44,7
17,0
25,0 42,5
40,2
20,0 20,7
32,0 33,0
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
II
2460 2400
1523 503
1485 415
12,1 17,2
1138
1035
320 243
283 120
943
158 123
108
Soluble
2558 2425
Remoción Total (%)
Total
1730 1678 1350 428 558
Soluble
1768 1648 1405 1213 585
Remoción AE (%)
Total
3055 3005 2985 2980 2955
Total
3185 3100 3055 3060 3025
Soluble
Remoción AN (%)
Soluble
16. Oct 17. Oct 18. Oct 19. Oct 20. Oct 21. Oct 22. Oct 23. Oct 24. Oct 25. Oct 26. Oct 27. Oct 28. Oct 29. Oct 30. Oct 31. Oct 01. Nov 02. Nov 03. Nov 04. Nov 05. Nov 06. Nov 07. Nov 08. Nov 09. Nov 10. Nov 11. Nov 12. Nov 13. Nov 14. Nov 15. Nov 16. Nov 17. Nov 18. Nov 19. Nov 20. Nov 21. Nov 22. Nov 23. Nov 24. Nov 25. Nov 26. Nov 27. Nov
Salida Clarificador DQOS
Total
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
Entrada Reactor AE DQOE, AE Soluble
Entrada Reactor AN DQO0
Total
Fecha
Total
Día de operación
Análisis Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Soluble
Anexo B
44,5 46,8 54,0 60,4 80,7
43,4 44,2 54,8 85,6 81,1
44,5 46,8 54,0 60,4 80,7
43,4 44,2 54,8 85,6 81,1
13,1 17,5
40,5 79,3
39,6 82,7
47,7 82,8
47,6 85,7
45,4
48,4
71,9
72,7
84,7 87,7
86,0 93,8
46,5 33,6
45,2
83,3 89,1
88,5
91,0 92,7
93,7
2910 2930 2005 2085 1980
2830 2910 1930 2005 1930
1765 1695
1720 1680
945 1125
1615 1610
1575 1585
880 763
186 160
45,5 52,6
78,9 79,0
88,5 90,1
1405 3190 3190 3030
1355
483 545 1183 2185
56 75 101 188
65,6 82,9 62,9 27,9
88,4 86,2 91,5 91,4
96,0 97,6 96,8 93,8
2785
2265
288
18,7
87,3
89,7
2695
1450
202
46,2
86,1
92,5
2570
815
119
68,3
85,4
95,4
2645 2575 2430 2410 2585
1295 1330 1973 2080 1885
80 138 371 362 162
51,0 48,3 18,8 13,7 27,1
93,8 89,6 81,2 82,6 91,4
97,0 94,6 84,7 85,0 93,7
2415
1925
285
20,3
85,2
88,2
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
III
323
230
SSVAE
-----------
SSAE (mg/L)
Relación IVL SSVAE/ SSTAE (mL/g) (%)
SSTAE
-----------
Reactor AE
SSVS
16. Oct 17. Oct 18. Oct 19. Oct 20. Oct 21. Oct 22. Oct 23. Oct 24. Oct 25. Oct 26. Oct 27. Oct 28. Oct 29. Oct 30. Oct 31. Oct 01. Nov 02. Nov 03. Nov 04. Nov 05. Nov 06. Nov 07. Nov 08. Nov 09. Nov 10. Nov 11. Nov 12. Nov 13. Nov 14. Nov 15. Nov 16. Nov 17. Nov 18. Nov 19. Nov 20. Nov 21. Nov 22. Nov 23. Nov 24. Nov 25. Nov 26. Nov 27. Nov
SSE, AE (mg/L)
Salida Clarificador SSS (mg/L)
SSTS
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
Entrada Reactor AE
SSVE, AE
Entrada Reactor AN SS0 (mg/L)
SSTE, AE
Fecha
SST0
Día de operación
Análisis Sólidos Suspendidos (SS)
SSV0
Anexo C
170
130
142
132
1130 1380 1537 1616
975 1082 1287 1466
86,3 78,4 83,7 90,1
770 630 579 557
95
60
305
270
1210
960
79,3
744
2166
1800
83,1
424
2190
1790
81,7
429
1350
1010
74,8
725
300
230
130
270
177
324
324
225
172
473
427
1135
935
82,4
854
83
70
110
93
184
102
897
847
94,4
1093
183
170
77
57
780
680
980
800
81,6
1011
360
295
560
510
5740
2890
50,3
47
220 235
160 183
161 137
75 105
6370 6760 5030
5340 4860 4240
83,8 71,9 84,3
122 136 163
230 190
72
177 153
223
197
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
IV
Anexo D
Parámetros de Operación
Día de Fecha DQOE, AN DQOE, AE DBOE, AE SSTAE TRHAN TRHAE operación (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (h) (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
16. Oct 17. Oct 18. Oct 19. Oct 20. Oct 21. Oct 22. Oct 23. Oct 24. Oct 25. Oct 26. Oct 27. Oct 28. Oct 29. Oct 30. Oct 31. Oct 01. Nov 02. Nov 03. Nov 04. Nov 05. Nov 06. Nov 07. Nov 08. Nov 09. Nov 10. Nov 11. Nov 12. Nov 13. Nov 14. Nov 15. Nov 16. Nov 17. Nov 18. Nov 19. Nov 20. Nov 21. Nov 22. Nov 23. Nov 24. Nov 25. Nov 26. Nov 27. Nov
2910 2930 2005 2085 1980
3185 3100 3055 3060 3025
1879 1829 1802 1805 1785
2558 2425
1509 1431
1138
671
1130 1380 1537 1616
1210
2166
2190
CVAN (g/(L*d))
CVAE (g/(L*d))
F/M -1 (d )
1,88 1,83 1,80 1,81 1,78
1,6 1,3 1,2 1,1
28,1 28,1 28,1 28,1 28,1
24,0 24,0 24,0 24,0 24,0
28,1 28,1 21,0 21,0 21,0
24,0 24,0 16,0 16,0 16,0
2,49 2,50 2,29 2,38 2,26
1,51 1,43
21,0 21,0
16,0 16,0
2,02 1,94
0,84 1,00
21,0 21,0
16,0 16,0
1,85 1,84
0,78 0,68
21,0 14,0 14,0 14,0 14,0
16,0 12,0 12,0 12,0 12,0
1,61 5,47 5,47 5,19
0,43 0,64 1,40 2,58
2,3
1,2
1,01
1765 1695
945 1125
558 664
1615 1610
880 763
519 450
1405 3190 3190 3030
483 545 1183 2185
285 322 698 1289
1135
2785
2265
1336
897
14,0
12,0
4,77
2,67
3,0
2695
1450
856
980
14,0
12,0
4,62
1,71
1,7
2570
815
481
5740
14,0
12,0
4,41
0,96
0,2
2645 2575 2430 2410 2585
1295 1330 1973 2080 1885
764 785 1164 1227 1112
6370 6760 5030
8,3 8,3 8,3 8,3 4,9
7,1 7,1 7,1 7,1 4,2
7,65 7,45 7,03 6,97 12,66
2,58 2,65 3,93 4,15 6,36
0,4 0,6 0,8
2415
1925
1136
4,9
4,2
11,83
6,49
1350
0,4
0,3
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
Anexo E
V
Programación de los Temporizadores
Los cuadros negros indican la posición correcta de los conmutadores tip de los temporizadores DRPL de la empresa LOVATO S.P.A. ON
1 2 3 4 5 6 7 8
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
0,3-3 s
0,6-6 s
1,2-12 s
3-30 s
6-60 s
12-120 s
ON
ON
ON
ON
ON
ON
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6 7 8 0,3-3 min
0,6-6 min
1 2 3 4 5 6 7 8 1,2-12 min
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6 7 8 3-30 min
1 2 3 4 5 6 7 8 6-60 min
12-120 min
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
Anexo F
VI
Diseño de la Placa Decantadora
31 mm
166 mm 95 mm 6,5 mm
6,5 mm
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
Anexo G
VII
Programación de los Medidores MONEC
La siguiente tabla muestra la programación actual de los medidores MONEC, como también su programación correcta para el uso con la unidad de control RTU. Comandos especiales o de menor interés, como para la calibración o para la programación de la puertas digitales, no se incluyen. El simbolo ‘---‘ indica un comando no existente o que su programación no tiene influencia. MONEC 8930 (pHAE)
MONEC 8980 (OD)
MONEC 8930 (pHAN)
Comando Programación Programación Programación Programación Programación Programación
1 11 30 31 51 201 210 301 500 505 506 507 515 516 517 554 564 574 584 590 591 592 600 611 621 631 641 670 671 680 681 800 910
actual
con RTU
actual
con RTU
actual
con RTU
1 0 0 0 0 0 ----1 1 7.50 0 ------0 0 0 0 0 ----0 --2.0 12.0 1 1 --1 --0 0
1 0 0 0 0 0 ----0 ------------0 0 0 0 ------0 --2.0 12.0 1 1 --1 --0 0
----1 ----1 0 0 2 0 ----0 2.0 0 ----------0 0 0 0 0.0 100.0 1 1 0 1 0 0 0
----1 ----1 0 0 0 --------------------------0 0 0.0 100.0 1 1 0 1 0 0 0
1 0 0 0 0 0 ----0 ------------0 0 0 0 0 ----0 --2.0 12.0 1 1 --1 --0 0
1 0 0 0 0 0 ----0 ------------0 0 0 0 ------0 --2.0 12.0 1 1 --1 --0 0
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
VIII
Anexo H
Descripción Breve del RTU-Terminal y las Configuraciones
Apropiadas Menú Sistema La opción Propiedades del menú Sistema permite configurar todos los parámetros del sistema; éstos son:
Configuración de la puerta de comunicación (Propiedades) •
Puerta:
COM2
•
Velocidad máxima:
9600 baud
•
Preferencias de conexión: Data Bits:
8
Parity:
none
Stop Bits:
1
•
Echo:
off
•
Control de flujo:
none
Tipo de configuración de las RTUs (RTU) Sirve para seleccionar las señales (análogas y digitales) y configurar sus parámetros de acuerdo a las necesidades propias del usuario. En el caso de la planta presente se tiene que configurar las señales análogas de los dos medidores de pH (pH y temperatura) y del medidor de oxígeno disuelto (OD y temperatura). De mayor interés es la programación correcta del número del input análogo (Número Interno RTU), el nombre identificatorio de la señal, para ser mostrado en la pantalla de la planta, su estado habilitado, la calidad (directo), la unidad de medición y valores numéricos para efectuar el escalamiento de la señal según la fórmula
Valor Final = (Valor Inicial * Mulitplicador) / Divisor + Offset
donde el Valor Inicial corresponde a un valor en el rango de 0 a 1023. El Valor Inicial es calculado por el conversor análogo-digital que recibe la señal análoga (4-20 mA) de los medidores. Los valores numéricos necesariamente tienen que corresponder a la programación de las señales de output análogo de los distintos medidores MONEC.
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
Anexos
Valor numérico
IX
pH
OD
T°
Extremo inferior de medición
2
0
0
Extremo superior de medición
12
20
Offset
2
0
según orden 621/641 de los MONEC
100 según orden 631/641 de los MONEC 0
corresponde al extremo inferior de medición
Multiplicador
10
20
100 corresponde a la diferencia entre extremo superior y extremo inferior
Divisor
1023
1023 1023 corresponde al valor máximo entregado por el conversor análogo-digital
Parámetros para la obtención y almacenamiento de datos (Parámetros Generales) Se puede ingresar el tiempo de espera entre interrogaciones a la RTU para obtener un muestreo de sus valores digitales y análogos, la cantidad de muestras que se pedirán a la RTU antes de generar un promedio y almacenarlo en el archivo de “log” y el tiempo para la estabilización de la RTU en la partida. Menú Configurar Configuración de los gráficos (Gráficos) Permite, por medio de la ventana Configuración de Gráficos, determinar cuáles de las señales análogas serán desplegadas en la pantalla de gráficos que muestra el sistema. El gráfico superior como el inferior despliega dos señales. Razonable será desplegar en un gráfico el pH y la Temperatura del reactor anaerobio y en el otro el pH y OD del reactor aerobio.
Configuración de las señales (Señales) Determina, por medio de la ventana Configuración de señales, cuáles de las señales (análogas y digitales) serán mostradas en los diagramas de planta (una o dos). Menú Acceso A través de la opción Login se puede ingresar una clave para poder cambiar la configuración del programa. Actualmente es RTURTU.
Puesta en Marcha y Operación de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera
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