DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS PARA LA GENERACIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS NATALIA DE JESÚS CASTRO GONZÁLEZ UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO PROGRAINGENIERÍA QUÍMICA 2014 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS PARA LA GENERACIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS NATALIA DE JESÚS CASTRO GONZÁLEZ Trabajo de Grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniera Química UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO PROGRAINGENIERÍA QUÍMICA 2014 CONTENIDO Pág. 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .................................................................... 8 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 8 1.2. FOMULACION DEL PROBLEMA ...................................................................... 9 1.3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 9 1.4. OBJETIVOS .................................................................................................... 11 2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................. 13 2.1. ANTECEDENTES ........................................................................................... 13 2.2. MARCO TEORICO .......................................................................................... 16 2.2.1.Modelamiento ............................................................................................... 16 2.2.2.Simulación .................................................................................................... 16 2.2.3.Principales usos del agua. ............................................................................ 18 2.2.4.Contaminantes del agua. .............................................................................. 19 2.2.5.AGUAS RESIDUALES. ................................................................................. 19 2.2.6.AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS. ........................................................ 20 2.2.7.Características de las aguas residuales domésticas. ................................... 21 2.2.7.1.Características físicas. ............................................................................... 21 2.2.7.2.Características químicas. ........................................................................... 25 2.2.7.3.Medición de la materia orgánica. ............................................................... 27 2.2.7.4.Materia inorgánica. ................................................................................... 28 2.2.7.5.Características biológicas. ......................................................................... 32 2.2.8. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. ............................................... 35 2.2.8.1 Pretratamiento de las aguas residuales. .................................................... 37 2.2.8.2 Tratamiento primario de las aguas residuales. .......................................... 37 2.2.8.3 Tratamiento secundario convencional. ...................................................... 37 2.2.8.4 Tratamiento avanzado. .............................................................................. 37 2.2.9. OPERACIONES FÍSICAS UNITARIAS. ....................................................... 37 2.2.9.1 Medición de caudales. ............................................................................... 37 2.2.9.2 Desbaste. ................................................................................................... 38 2.2.9.3 Homogeneización de caudales. ................................................................. 38 2.2.9.4 Mezclado.................................................................................................... 39 2.2.9.5 Sedimentación. .......................................................................................... 39 2.2.9.6 Flotación. ................................................................................................... 39 2.2.9.7 Filtración. ................................................................................................... 40 2.2.9.8 Transferencia de gases.............................................................................. 40 2.2.10 PROCESOS QUÍMICOS UNITARIOS. ....................................................... 40 2.2.10.1 Precipitación química. .............................................................................. 41 2.2.10.2 Desinfección. ........................................................................................... 41 2.2.11 PROCESOS BIOLÓGICOS UNITARIOS. ................................................... 42 2.2.11.1 Procesos de lodos activados. .................................................................. 42 2.2.11.2 Filtros percoladores.................................................................................. 44 2.2.11.3 Procesos de tratamiento anaerobio. ........................................................ 45 2.2.11.4 Lagunas de estabilización o de oxidación. ............................................... 46 2.2.12 CELDA DE COMBUSTIBLE. ...................................................................... 48 2.2.13 Tipo de celdas de combustible. ................................................................... 49 2.2.14 Membrana de Intercambio de Protones. “Electrolito”. ................................ 52 2.2.15 Las celdas de Combustible Microbianas (MFC). ......................................... 53 2.2.15.1 Tipos de celdas de combustible microbianas con membrana de intercambio protónico............................................................................................. 54 2.2.16 Transporte de electrones en una MFC. ...................................................... 55 2.2.17 FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Y ELECTROQUÍMICOS EN UNA MFC. . 58 2.2.17.1 Potencial de una celda de combustible. ................................................... 59 2.2.17.2 Potenciales de electrodo estándar. .......................................................... 61 2.2.17.3 Voltaje de circuito abierto (OCV). ............................................................. 62 2.2.17.4 Factores que afectan el voltaje de la celda. ............................................. 63 2.2.17.5 Curvas de Polarización. ........................................................................... 68 2.2.17.6 Curvas de Potencia. ................................................................................. 68 2.2.18 Eficiencia del proceso de tratamiento de aguas residuales usando celdas de combustible microbiana. ........................................................................................ 69 2.2.18.1 Eficiencia Coulombica. ............................................................................. 70 2.2.19 Inóculos utilizados en las celdas de combustibles microbianas. ................. 70 2.3 MARCO LEGAL............................................................................................... 70 2.4 MARCO CONCEPTUAL .................................................................................. 71 3 MARCO METODOLÓGICO............................................................................. 74 3.1 TIPO DE INVESTIGACION.............................................................................. 74 3.2 TIPO DE DISEÑO ........................................................................................... 74 3.3 ENFOQUE ADOPTADO .................................................................................. 74 3.4 POBLACION Y MUESTRA .............................................................................. 74 3.5 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN................................ 75 3.5.1 Fuentes primarias ......................................................................................... 75 3.5.2 Fuentes secundarias ..................................................................................... 75 3.6 HIPÓTESIS ..................................................................................................... 75 3.7 VARIABLES..................................................................................................... 76 3.8 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ..................................................... 76 3.9 PROCESAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................. 77 4. RESULTADOS................................................................................................... 78 5. CONCLUSIONES ............................................................................................ 136 4. RECOMENDACIONES .................................................................................... 138 REFERENCIAS ................................................................................................... 139 ANEXOS .............................................................................................................. 143 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla.1 Categorías del uso público de las aguas. ................................................. 18 Tabla.2 Captación de aguas residuales en una comunidad. ................................. 20 Tabla.3 Composición típica del agua residual doméstica. ..................................... 20 Tabla.4 Características físicas de las aguas residuales domésticas. .................... 22 Tabla.5 Clasificación de los sólidos presentes en aguas residuales. .................... 23 Tabla.6. Clasificación de los microorganismos ...................................................... 33 Tabla.7. Función de los microorganismos. ............................................................ 34 Tabla.8 Aplicaciones de los procesos químicos unitarios en el tratamiento del agua residual. ................................................................................................................. 40 Tabla.9 Comparación de parámetros de desempeño de diferentes configuraciones en celdas de combustible microbianas tipo PEM. .................................................. 57 Tabla.10 Normas para todo vertimiento a un cuerpo de agua .............................. 71 Tabla.11 Población de la Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena año 2014-1 ............................................................................................................. 78 Tabla.12 Población Estudiantil de la Universidad de San Buenaventura Cartagena 2014-1. ................................................................................................................... 79 Tabla.13 Población estudiantil en los últimos tres periodos académicos............... 79 Tabla.14 Asignación del nivel de complejidad. ...................................................... 79 Tabla.15 Dotación neta según el nivel de complejidad del sistema. ...................... 80 Tabla.16 Variación a la dotación neta según el clima y el nivel de complejidad del sistema. ................................................................................................................. 80 Tabla.17 Coeficiente de retorno de aguas servidas domésticas. ........................... 81 Tabla.18 Aportes por infiltración en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales. .............................................................................................. 82 Tabla.19 Caracterización de las aguas residuales de la USB. .............................. 84 Tabla.20 Medición de caudales. ............................................................................ 92 Tabla. 21 Valores de las constante empíricas a y b. ............................................ 102 Tabla.22 Información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria. ............................................................................................................................. 103 Tabla.23 información típica para el diseño de un sedimentador primario rectangular. .......................................................................................................... 104 Tabla. 24 Materiales básicos de una celda de combustible microbiana. ............ 116 Tabla. 25 Producción de energía en una celda de combustible microbiana ........ 117 Tabla. 26 Resultado de la simulación en Aspen Plus para el tanque de igualación………………………………………………………………………………..128 Tabla. 27 Resultado de la simulación en Aspen Plus ® para el sedimentador primario……………………………………………………………………………….....128 Tabla. 28 Resultado de la simulación en Aspen Plus ® para el ánodo y cátodo……………………………………………………………………………….......128 Tabla. 29 Resultado de la simulación en Aspen Plus ® para las bombas…………………………………………………………………………….…….129 Tabla. 30 Resumen de los resultados del diseño y de la simulación………….....129 Tabla. 31 Resultados de diferentes estudios referentes a la producción de energía durante mediante celdas de combustible microbiana……………………………...130 LISTA DE FIGURA Pág. Figura.1 Esquema general de funcionamiento de una celda PEM. ...................... 49 Figura.2 Esquema de funcionamiento de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones. .................................................................................. 51 Figura.3 Estructura química del Nafion®. ............................................................... 52 Figura.4 Funcionamiento de una celda de combustible microbiana. ..................... 54 Figura.5 Diferentes configuraciones en una celda de combustible microbiana tipo PEM. ...................................................................................................................... 55 Figura.6 Esquema general del transporte de electrones en una celda de combustible microbiana. Reacción de Oxidación................................................... 56 Figura. 7 Curva de Polarización de una celda de combustible de membrana de Intercambio de Protones. ....................................................................................... 63 Figura.8 Curvas de Polarización (a) y Potencia (b) de una celda de combustible microbiana de almidón. .......................................................................................... 69 Figura. 9 Representación gráfica de la población ................................................. 78 Figura. 10 Curva de volumen acumulado. ............................................................. 93 Figura. 11 Gráfica de remoción de DBO y SST en tanques de sedimentación primaria. ............................................................................................................... 102 Figura. 12 Tanque de sedimentación primaria rectangular .................................. 104 Figura.13 Esquema del balance de masa del sedimentador primario. ................ 106 Figura.14 Diagrama típico de una celda de combustible de dos cámaras ........... 116 Figura. 15 Producción de energía en una celda de combustible microbiana ....... 118 Figura. 16 Curva de polarización ......................................................................... 119 Figura. 17 Diagrama del proceso de tratamiento de aguas residuales incluyendo la MFC ..................................................................................................................... 127 Figura. 18 Número de artículos publicados por año sobre el tema ...................... 133 Figura. 19 Revistas científicas de más publicaciones sobre el tema ................... 133 Figura. 20 Universidades en el mundo que más aportan sobre el tema .............. 134 Figura. 21 Países con mayor aporte sobre el tema ............................................. 134 Figura. 22 Países en Latinoamérica con aportes en el tema ............................... 134 Figura. 23 Tipo de publicación vinculado al tema ................................................ 135 DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS PARA LA GENERACIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA ELÉCTRICA MEDIANTE CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS 1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Actualmente, la mayor parte de la electricidad se obtiene mediante la combustión de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural), pero éstos se vuelven más escasos y cada vez cuesta más encontrarlos, al mismo tiempo la contaminación por la quema de este tipo de combustibles generan gases que son tóxicos, cancerígenos y tienen efectos negativos sobre la calidad del medio ambiente y sobre la salud humana. Los últimos esfuerzos por la preservación de los recursos del planeta han llevado a que las organizaciones y sus partes interesadas sean más conscientes de la necesidad y los beneficios de un comportamiento socialmente responsable en mira a contribuir con el desarrollo sostenible de las regiones; partiendo del desempeño integral y la habilidad para continuar operando de manera eficaz, pero reconociendo la necesidad de asegurar ecosistemas saludables, equidad social, calidad del aire, en miras al cambio del clima global y al desarrollo sostenible1. El tratamiento de las aguas residuales domésticas se hace importante a la hora de minimizar el impacto sobre el medio ambiente ocasionado por el vertido de contaminantes al medio, consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes que afectan tanto la salud humana como al medio ambiente, principalmente reservorios de agua, lagos, lagunas, y estanques naturales causando la eutrofización, que se produce cuando el agua se enriquece de modo artificial con nutrientes. La calidad del agua se diferencia según el destino o el uso que se le asigne, de esto depende el tratamiento necesario que se debe aplicar al agua residual siendo indispensable un tratamiento antes de su disposición final. Las celdas de combustible microbianas son dispositivos que permiten la conversión de energía química a energía eléctrica mediante microorganismos, 1 Organización Internacional de Estandarización ISO. “ISO 26000: Responsabilidad Social” Ginebra Suiza, 2010 [Disponible en: www.iso.org] Consultado el 10 de Febrero 2013. 8 dichos microorganismos se encargan de degradar la materia orgánica transfieren electrones aun ánodo y estos pasan a través de un circuito externo, creando un flujo de electrones que no es más que una corriente eléctrica2. Estas han sido utilizadas para producir energía eléctrica a partir de diferentes compuestos orgánicos, pero en la actualidad su desarrollo está encaminado al uso de aguas residuales como combustible. El uso de estos dispositivos acoplados al tratamiento de aguas residuales brinda la oportunidad de generar energía eléctrica a muy bajo costo, constituyéndose como un proceso autosostenible que puede llevar consigo la disminución de la cantidad de lodos a disponer, la no utilización de combustibles fósiles y por ende un bajo impacto ambiental. En un futuro, este mecanismo de fácil implementación podría brindar la posibilidad de suplir las demandas energéticas para comunidades apartadas, convirtiéndose en un sistema no centralizado de generación de energía eléctrica. En este proyecto se utilizará el simulador Aspen Plus®, para desarrollar un modelo que permita calcular los balances de materia y energía del proceso diseñado, cuya estructura y datos preliminares de los equipo, se conocen, de esta forma llevar a cabo tareas como el análisis, la evaluación y la viabilidad del tratamiento de aguas residuales utilizando celdas de combustible microbianas, logrando optimizar el proceso de tratamiento del agua antes de su disposición final y obtener un valor agregado, la energía eléctrica que puede ser utilizada en la operación de la planta. Es así como los simuladores de procesos se han convertido en la herramienta más importante en el análisis y la síntesis de procesos químicos. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo realizar el diseño y la simulación de un proceso de tratamiento de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible microbiana tipo PEM para la generación de energía eléctrica? 1.3. JUSTIFICACIÓN El agua es un recursos renovable que hace posible su tratamiento después de su uso razón por la cual se ha invertido recursos humanos y económicos con mira a su recuperación y reutilización. Además la producción creciente de energías alternativas permiten mirar más allá de los combustibles fósiles los cuales son recursos no renovables y su procesamiento ha repercutido en el medio ambiente, en esta instancia es una gran oportunidad el hecho de obtener energía limpia a partir del tratamiento de agua residuales porque proporciona dos beneficios inigualables para el ambiente y el ser humano, además de bases teóricas solidas que un futuro servirán para satisfacer la demanda de agua y energía. 2 HONG, Liu. RAMANATHAN, Ramnarayanan. BRUCE, Logan. “Production Of Electricity During Wastewater Treatment Using A Single Chamber Microbial Fuel Cell”. Universidad Estatal de Pennsylvania. 2004 9 La importancia de este tema radica en la creciente atención por la contaminación ambiental; las celdas de combustible microbiana no solo son capaces de generar energía eléctrica sino que permiten disminuir la carga orgánica presente en el agua residual, permitiendo realizar un tratamiento biológico a aguas contaminadas previo a su vertimiento en los distintos cuerpos de agua. Estas cedas permiten captar la energía eléctrica derivada del proceso de oxidación y reducción que realizan cierto tipo de bacterias sobre la materia orgánica contenida en el agua residual. Este proceso que se realiza en condiciones anaeróbicas, se constituye en una etapa de tratamiento biológico de aguas de residuales dicho anteriormente que ayuda a disminuir su contaminación3. Las Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM, consiste básicamente en dos cámaras, una llamada anódica y otra catódica, separadas por una membrana intercambiadora de protones y un circuito eléctrico conformado por dos electrodos, conductor eléctrico y una cargar resistiva. Una de las cámaras contiene el ánodo por lo cual es llamada cámara anódica o cámara anaerobia y es en esta donde se almacena el agua residual y la fuente de microorganismos a ser empleados para el tratamiento biológico y la generación de energía eléctrica. La segunda cámara contiene el cátodo, y es en donde se recolecta el agua que se forma luego del proceso. Los electrones generados pasan desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, donde se combinan con el oxígeno presente en el aire burbujeado, y con los protones que llegan hasta el compartimiento del cátodo a través de la membrana selectiva de protones, se genera una corriente eléctrica El tema es pertinente con las políticas institucionales pues como Universidad se considera indispensable el estudio y la búsqueda de propuestas de solución a la problemática de la sociedad, con miras a la promoción integral del hombre colombiano y reafirma la primacía de la persona en la organización de la sociedad y el Estado4. Siendo Colombia un país en desarrollo, esta tecnología aporta una gran expectativa en la investigación y bases teóricas, en busca de nuevos proyectos innovadores que permitan el avance de las universidades y el reconocimiento internacional. Diseñar y simular una plata de tratamiento de agua residuales domesticas usando Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM tiene gran ventajas sobre otras tecnologías ya que estas celdas permiten la conversión directa de sustrato a electricidad con una altas eficiencias de conversión, operan eficientemente a temperatura ambiente, incluidas bajas temperaturas, no requiere del tratamiento del biogás generado en la celda, no necesita de energía extra para airear el cátodo, pues éste puede ser aireado pasivamente, tienen aplicación potencial en lugares alejados con ausencia de infraestructura eléctrica, convirtiéndose en una 3 IBÁÑEZ, Rodrigo. HERNÁNDEZ, Carlos. “Tratamiento De Aguas Residuales Y Generación Simultánea De Energía Eléctrica Mediante Celdas De Combustible Microbianas”. Trabajo de grado para realizado optar al título de Ingeniero Eléctrico. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2010. 4 Universidad de San Buenaventura. Proyecto Educativo Bonaventuriano. Cap. II. 10 opción más de energía renovable para los requerimientos de energía a nivel mundial. Este tema requiere una investigación aplicada que se orienta a producir nuevos conocimientos, a comprobar aquellos que forman parte del saber y de las actividades del hombre referidos a contextos específicos, a facilitar el proceso pedagógico y al desarrollo de la ciencia y la tecnología. La Ingeniería Química y su gran apoyo en los Bioprocesos y medio ambiente, hoy están estructuradas alrededor de dos paradigmas esenciales, que han sido concebidos históricamente como etapas de evolución y estructuración de un sistema de conocimientos sobre fenómenos y procesos vinculados a la elaboración de sustancias y materiales mediante cambios químicos y/o cambios en propiedades físicas de la materia. El presente proyecto es viable debido a que al contar con un diseño y una simulación del proceso de tratamiento de aguas residuales permitirá analizar qué tan eficaz seria el tratamiento del agua residual antes de su disposición final y brindar la oportunidad de generar energía eléctrica a muy bajo costo, como un valor a agregado. Esta tecnología no es de uso habitual, pero debido a que en ninguna etapa del proceso se utiliza combustibles fósiles, este favorece la disminución de la contaminación ambiental, por lo que se busca promover esta tecnología, para su implementación en pequeñas comunidades habitacionales o incluso en comunidades dispersas o aisladas del país5. 1.4. OBJETIVOS 1.4.1. Objetivo general Diseñar y simular un proceso de tratamiento de aguas residuales domesticas para la generación de energía eléctrica mediante celdas de combustible microbiana tipo PEM, usando el simulador Aspen Plus®. 1.4.2. Objetivos específicos Diseñar una planta de tratamiento de aguas residuales que integren las celdas de combustible microbiana tipo PEM como tratamiento secundario. Describir el estado físico, químico, biológico y el funcionamiento del tratamiento de agua y su transformación de energía química a energía eléctrica. Modelar con ayuda del programa Aspen Plus® parámetros matemáticos capaces de reproducir el comportamiento del proceso real. 5 DE AVILA, Gesira. Línea de investigación- Bioprocesos. Universidad de San Buenaventura Cartagena. 11 Implementar modelos matemáticos que permitan diseñar y simular tanto operaciones unitarias como los equipos requeridos en las plantas de tratamiento de aguas residuales de proceso. Elaborar la base de datos pertinentes a los parámetros de entrada y salida requeridos en cada equipo u operación unitaria. 12 2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 ANTECEDENTES Históricamente, el primer objetivo del tratamiento de aguas residuales era reducir el contenido en materia en suspensión del agua y la demanda biológica de oxígeno, pero con el desarrollo industrial y el crecimiento de la poblaciones, los caudales y las concentraciones de las aguas residuales han ido aumentando considerablemente razón por la cual se hace indispensable un tratamiento antes de su disposición final. Cabe mencionar que los métodos empleados para el tratamiento de las aguas residuales han sufrido una constante evolución, desarrollo tecnológico y científico en mira al cambio climático y a factores sociales, económicos y políticos de las poblaciones. Por otro parte la creciente atención por el medio ambiente dan el punto de partida para la obtención de energías alternativas las cuales se están convirtiendo en medidas para mitigar el cambio climático, así como una solución a problemas de suministro de energía a poblaciones con un escaso suministro y como ahorro económico. Las celdas de combustible microbianas han generado gran interés a nivel internacional no solo por tratarse de una fuente de energía alternativa sino también por la ventaja de poder tratar aguas residuales simultáneamente al proceso de generación de energía. Dado al creciente interés de un sistema de tratamiento de aguas residuales basado en la utilización de celdas de combustible microbiana para la generación simultánea de energía eléctrica han proporcionado una gran oportunidad para el desarrollo científico y tecnológico de este tema, entre los proyectos existentes podemos destacar: PISTONESI, Gustavo (2010) en la Universidad Tecnológica Nacional, realizó un proyecto de investigación titulado: “Energía a partir de las aguas residuales”. En éste estudia la conversión de la energía química en eléctrica mediante la utilización de una célula de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell, MFC). En las MFC se utilizan microorganismos para oxidar el combustible, materia orgánica, y transferir los electrones a un electrodo (ánodo), que está conectado a un cátodo a través de un material conductor que contiene una resistencia. La oxidación del elemento combustible consiste en la pérdida de uno o más electrones (de valencia) que son los que capta el elemento comburente al reducirse. De esta manera, se considera el proceso de combustión de un elemento combustible frente a otro comburente, como la cesión de electrones de uno a otro, y la liberación de energía. 13 El proyecto de grado que lleva por nombre “Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico". Realizado por MAYANDÍA, Antonio (2009). De la Universidad Carlos III de Madrid, España, cuyo propósito fue el estudio del diseño y comportamiento de una pila de combustible de Membrana de Intercambio de Protones, ya que este tipo de pila ofrece una gran gama de características para sus aplicaciones portátiles y de automoción, además que es capaz de generar electricidad a partir de hidrógeno proveniente de diversas fuentes y de oxigeno atmosférico. El autor identifica las ecuaciones termodinámicas y electroquímicas que regulan el comportamiento de la pilas tipo PEM, y diseña un modelo en el software Matlab/Simulink, el cual es solo valido para pilas operadas a bajas temperaturas por debajo de los 100°C. RAMÍREZ, Héctor Enrique (2013) en la Universidad Nacional Autónoma de México, desarrolló un proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Químico titulado: “Generación de electricidad de una celda de combustible microbiana de tipo PEM”. En el mismo se determinó experimentalmente el efecto de algunos tipos de inóculos sobre la generación de electricidad de una celda microbiana intercambiadora de protones; los resultados de este proyecto consistieron en el diseño de la celda con los materiales adecuados para su correcto funcionamiento, así como la realización de las pruebas con tres tipos de inóculos: liofilizado, lodos activados y una cepa pura y por último la comparación de los resultados obtenidos para cada inóculo utilizado. En la Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena se han desarrollado distintos proyectos acerca del tratamiento de las aguas residuales, se han basado en el diseño, el tipo de tratamiento utilizado, así como tecnologías para la disposición de los lodos activos; entre los tantos cabe mencionar el proyecto de grado que lleva por título “Diseño de un reactor anaeróbico de flujo ascendente a través de un manto de lodo (UASB) para el tratamiento de las aguas residuales de la Universidad de San Buenaventura” realizado por los estudiantes BARRIOS, Dionisio y VASQUEZ, Genny (2005), los cuales evaluaron los parámetros técnicos y económicos que se debía tener en cuenta para el diseño del reactor anaeróbico, teniendo en cuenta las tecnologías apropiadas para su operación; utilizaron las aguas residuales de los edificios de la Universidad para la toma de muestra y para su posterior caracterización fisicoquímica y biológica. Entre los artículos científicos relacionados con el tema podemos destacar: “Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell”, Autores: HONG Liu, RAMANATHAN Ramnarayanan y BRUCE Logan (2004) de la Universidad Estatal de Pennsylvania. Demostraron que es posible producir electricidad en una celda de combustible microbiana, mediante el uso de las aguas residual doméstica, logrando simultáneamente el tratamiento biológico de la misma, permitiendo la reducción de la demanda química de oxígeno. El tipo de celda utilizada fue de una sola cámara con ocho electrodos de grafito en el ánodo y un solo cátodo aireado. El sistema fue operado en 14 condiciones de flujo continuo con el efluente de un sedimentado primario obtenido de una planta de tratamiento de aguas residuales local. El prototipo genero un máximo de 26 mW m-2 de energía, mientras se quitaba el 80% de la DQO del agua residual. BUITRÓN, Germán y PÉREZ, Jaime (2011) en la Universidad Nacional Autónoma de México, desarrollaron una investigación publicada como artículo científico en la Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas titulada “Producción de electricidad en celdas de combustible microbiana utilizando agua residual: efecto de la distancia entre electrodos”, ellos evaluaron la influencia de la separación de electrodos sobre la producción de electricidad y la eliminación de materia orgánica en las celdas de combustible microbiana usando agua residual, su metodología consistió en la construcción de tres celdas de geometría similar pero con diferentes volúmenes, lograron una eliminación de materia orgánica del 71% y concluyeron de que la distancia entre los electrodos no causó efecto negativo en la generación de electricidad pero si en la potencia volumétrica la cual disminuyo a mayor distancia entre los electrodos; el máximo voltaje obtenido fue de 660mV en la celda de mayor volumen (120 mL), mientras que para la celda de 40 y 80 mL fue de 540 mV y 532 mV, respectivamente. “Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM” Autores: ÁLZATE Liliana, FUENTES Carmen, ÁLVAREZ Alberto y SEBASTIAN Joshep (2008) de la Universidad Autónoma del Estado de México, emplearon una celda de combustible microbiana a escala laboratorio para la generación de electricidad, la celda consistió en dos cámaras separas por una membrana de intercambio protónico, utilizaron electrodos de papel carbón y un católico acuoso. Emplearon agua residual sintética (ARS) como sustrato y las bacterias utilizadas fueron obtenidas de un inóculo mixto anaerobio de tipo entérico, emplearon resistencias para el circuito externo de 600 y 1000 Ω obteniendo densidades de corriente de 640 y 336 mW m-2, respectivamente. La eficiencia de la celda fue determinada con base a la eficiencia coulombica y fue de 59,8%, concluyeron que es posible la generación de electricidad y a la vez tratar el agua residual, y sugirieron que un aumento del área de los electrodos mejoraría la eficiencia de la celda. En la Universidad Nacional de Colombia los estudiantes IBÁÑEZ Rodrigo y HERNÁNDEZ Carlos (2010) desarrollaron un proyecto de grado para optar al título de Ingenieros Eléctricos titulado: “Tratamiento de aguas residuales y generación simultánea de energía eléctrica mediante celdas de combustible microbianas” ellos construyeron de manera secuencial varios prototipos de celdas de combustible microbianas empleando distintos materiales y dimensiones, utilizaron agua residual sintética y diferentes fuentes de flora bacteriana como lodos de rio y excremento de animales (gallinaza, porquinaza y boñiga) , analizaron los comportamientos de voltaje, corriente y potencia en el tiempo y los cambios de estas variables en función de las dimensiones de los electrodos. La máxima 15 corriente que obtuvieron fue de 1.8mA y una eficiencia de remoción de materia organiza del 69.4%. Esta investigación permite el diseño de una celda de combustible microbiana de membrana de intercambio protónico para el tratamiento de agua residuales domésticas y la generación simultanea de energía eléctrica dando resultados acordes para la preservación del medio ambiente debido a que integra de manera práctica dos elementos claves que actualmente inquieta al desarrollo científico (energías alternativas y depuración de agua residual), basándose en el desarrollo de diferentes proyectos referentes al tema y utilizando sus resultados para la simulación de la celda mediante el programa Aspen Plus® permitiendo controlar el comportamiento de variables en dicho proyecto. 2.2 MARCO TEORICO 2.2.1 Modelamiento. Un modelo es el conjunto de ecuaciones matemáticas que describen un proceso basadas en formulaciones teóricas con sentido físico. El desarrollo de un modelo requiere de la comprobación, simulación y calibración del mismo con el fin de obtener predicciones de las variables más importantes en el proceso así como definir los parámetros característicos. En la actualidad las investigaciones científicas realizadas se han radicado en expresar los procesos que se llevan a cabo en el tratamiento de aguas residuales mediante modelos. El desarrollo de modelos ha permitido entender mejor los procesos y el comportamiento de los microorganismos en los distintos sistemas. Los modelos se pueden clasificar en: Mecanicistas: describen físicamente todos los procesos, físicos químicos y biológicos mediante ecuaciones de balance. Empíricos: se basa en relaciones matemáticas que utilizan las variables de entrada para generar variables de salida sin que esta suponga la descripción de un proceso con un significado físico. Semi-empíricos: se basan en procesos fenomenológicos, son modelos mecanicistas simplificados donde los parámetros utilizados incorporan diferentes fenómenos de difícil cuantificación. Los modelos utilizados aplicables a los procesos de fangos activados son modelos semi-empíricos que describen los distintos fenómenos biológicos y representan la velocidad con la que estos fenómenos ocurren (biocinética). 2.2.2 Simulación. La palabra simulación proviene del latín simulatĭo, que significa acción de simular, es decir, representar algo, fingiendo o imitando lo que no es, viéndose en este contexto, como el uso de modelos simplificados para representar un determinado proceso y así poder predecir sus resultados. La simulación de 16 procesos químicos está naturalmente vinculada al cálculo de los balances de materia, energía y eventualmente cantidad de movimiento de un proceso, cuya estructura y datos preliminares de los equipos que lo componen, se conocen, permitiendo así llevar a cabo tareas como el análisis, la evaluación y la obtención de costos estimativos de varias alternativas viables y competitivas para dicho proceso, así como también la evaluación y optimización de un diseño ya establecido para dicho proceso, en períodos de tiempo mucho más reducidos. Es así como los simuladores de procesos se han convertido en la herramienta más importante en el análisis y la síntesis de procesos químicos6. La simulación es un método de estudio basado en modelos, los cuales abarcan una gran variedad de procesos, es diseñado con la finalidad de imitar las operaciones y características de un sistema, en un tiempo determinado. En este trabajo la simulación permitirá imitar el proceso de tratamiento de las aguas residuales domesticas con el objetivo de simular la obtención de energía eléctrica, por medio de la conversión de energía química a energía eléctrica en celdas de combustible microbiana tipo PEM. La simulación de un proceso requiere disponer de valores de las propiedades fisicoquímicas, termodinámicas de las mezclas de compuestos que circulan, o han de circular, entre los distintos equipos de la planta, en todas las condiciones de composición, presión y temperatura, densidad, pH, DQO, corriente eléctrica, etc. que puedan llegarse a verificar en la operación de la misma, por esto debemos hacer uso de técnicas de predicción que permitan estimar esos valores. La adecuada selección de estas técnicas será crucial para un cálculo preciso de los equipos y corrientes del procedo simulado. El simulador a utilizar en este trabajo es el programa Aspen Plus®, el cual cuenta con algoritmos de cálculo, rápidos y estables, que permitirán imitar un proceso de tratamiento de las aguas residuales domesticas dando como resultado la simulación de generación de energía eléctrica Aspen (del inglés, Advanced System For Process Engineering), Fue desarrollado por investigadores del laboratorio e Energía del Instituto Tecnológico de Massachusetts y comercializado por AspenTech TM, este programa es básicamente de simulación de procesos químicos, en el cual además de simulaciones de diagramas de flujo, se puede realizar: estimación de propiedades de compuestos, análisis de sensibilidad de variables de proceso, obtener especificaciones de diseño de proceso, síntesis y análisis de procesos químicos, entre otras tareas del diseño de procesos y equipos7. 6 OSPINO, Jonathan. “Fundamentos de la Simulación de procesos químicos”. Medellín [Disponible en: http://modeladoysimulacioneniqu.webnode.es/simulacion-en-ee/] Consultado el 10 de Febrero 2014 7 OSPINO, Jonathan. “Simulación de Procesos en Ingeniería Química”. [Disponible en: http://modeladoysimulacioneniqu.webnode.es/simulacion-en-ee/simulacion-de-procesos-quimicos-usandoaspen-plus/] Consultado el 10 de Febrero 2014 17 2.2.3 Principales usos del agua. El agua es una fuente indispensable para la vida, la presencia de grandes cantidades de agua hace que nuestro planeta sea único en el sistema solar; antes del aumento significativo de la población humana se pensaba que el agua era un recurso de fuente inagotable pero por las indispensable propiedades que presenta también se hace fácil contaminarla. Las tres cuartas partes de la superficie terrestre están cubiertas por agua 8. Los organismos vivos están compuestos entre un 70% y 80% de agua, es decir, que es una de la sustancias de mayor demanda en los procesos biológicos de los ecosistemas acuáticos, terrestre y de todos los seres que los componen. Tabla 1. Categorías del uso público de las aguas CATEGORIA USOS Se miden con contadores individuales Uso doméstico: En interiores: Baños, cocinas, patios, etc. Zonas Residenciales Restaurantes, centros comerciales, Comercios aeropuertos, etc. Instituciones Hospitales colegios, oficinas, etc. Espacios recreacionales Piscinas, centros turísticos, navegación. Uso Industrial Se miden con contadores y generalmente se usan para servicio doméstico y en los procesos industriales (química, alimento, textil) procesos de refrigeración, etc. 2.2.6 hidroeléctricas, irrigación de 2.2.3 Servicio público y mantenimiento de Hidratantes, espacios verdes, edificios públicos. infraestructura 2.2.7 2.2.4 Conexiones no autorizadas, contadores mal 2.2.5 Pérdidas en la red y fugas calibrados, mediciones erróneas, rupturas y envejecimiento de la red. Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. En las actividades cotidianas de las personas, el uso del agua es primordial (Ver Tabla 1) a medida que es utilizada en dichas actividades va perdiendo la cualidad potable, aumenta su inutilidad en tales actividades y se empieza a comportar como agua contaminada o agua residual. La contaminación del agua es producida por la incorporación al gua de materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos industriales o aguas residuales. Estas materias deterioran la calidad del agua. 8 HILL, John. KOLB, Doris. Química para el nuevo milenio. Editorial Pearson. Octava edición. Mexico-1999. p. 327. 18 2.2.4 Contaminantes del agua Tomado de Manual del Agua de Nalco (1989): Aguas residuales y otros residuales que demandan oxígeno (en su mayor parte materia orgánica, cuya descomposición produce la desoxigenación del agua). Agente infeccioso. Nutrientes vegetales que pueden estimular el crecimiento de las plantas acuáticas. Éstas, a su vez, interfieren con los usos a los que se destina el agua y, al descomponerse, agotan el oxígeno disuelto y producen olores desagradables. Productos químicos, incluyendo los pesticidas, diversos productos industriales, las sustancias tensoactivas contenidas en los detergente, y los productos de la descomposición de otros compuestos orgánicos. Minerales inorgánicos y compuestos químicos. Sedimentos formados por partículas del suelo y minerales arrastrados por las tormentas y escorrentías desde las tierras de cultivo, los suelos sin protección, las explotaciones mineras, las carreteras y los escombros. Sustancias radiactivas procedentes de los residuos producidos por la minería y el refinado del uranio y del torio, las centrales nucleares y el uso industrial, médico y científico de materiales radiactivos. El calor también puede ser considerado un contaminante cuando el vertido del agua empleada para la refrigeración de las fábricas y las centrales emergenticas hace subir la temperatura del agua de la que se abastecen. 2.2.5 AGUAS RESIDUALES. Origen y clases de las aguas residuales: Las aguas residuales tienen un origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico; estos tipos de aguas residuales suelen llamarse respectivamente, domésticas, industriales, de infiltración y pluviales. Ver Tabla 2. Las principales fuentes de contaminación acuática pueden clasificarse como urbanas, industriales y agrícolas: La contaminación urbana está formada por las aguas residuales de los hogares y los establecimientos comerciales, son el resultado de actividades cotidianas de las personas y se denominan Aguas residuales domésticas. La contaminación industrial debida a los vertimientos y emisiones producidos por los procesos industriales se denomina aguas residuales industriales su naturaleza y composición son muy variadas y dependen del tipo de industria. La agricultura, la ganadería comercial y las granjas avícolas, son la fuente de muchos contaminantes orgánicos e inorgánicos de las aguas superficiales y subterráneas. 19 Tabla 2. Captación de aguas residuales en una comunidad Procedente de zonas residenciales o Agua residuales doméstica o sanitaria instalaciones comerciales similares. Vertidos industriales Agua residual industrial públicas y Aguas que entran en forma directa o indirecta a la red de alcantarillado. (1) Juntas defectuosas, grietas y paredes porosas. (2) Alcantarillas, canales, drenajes, entre otras. Agua resultante de la escorrentía superficial. (1) Infiltración y (2) aportaciones sin control Aguas pluviales Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. Para la evacuación de las aguas residuales, se emplean tres tipos de redes de alcantarillado: Red sanitaria (agua residual doméstica, industrial e infiltraciones) Red pluvial (Aportaciones sin control, alcantarillado Red unitaria (única red de alcantarillado) 2.2.6 AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS. Son aguas residuales procedentes de centros municipales, se originan principalmente en las viviendas y en el comercio; las composiciones de estas aguas cambian de un lugar o municipio a otro, en función de las condiciones socioeconómicas de la población, el clima y otros factores típicos de cada localidad. En las aguas residuales domesticas existe un mayor porcentaje de cloruros, sulfatos, nitrógeno, fósforo, sólidos y materia orgánica 9 . Las principales características que se deben tener presente en los centros municipales para identificar las condiciones de las aguas residuales domesticas se exponen en la Tabla 3. Tabla 3. Composición típica del agua residual doméstica Concentración Parámetro Unidades Débil Media Sólidos totales (ST) 350 720 Solidos disueltos totales (SDT) 250 500 Fijo 145 300 9 Fuerte 1200 850 525 CUBILLOS, Armando. Parámetros y características de las aguas residuales. Proyecto de desarrollo tecnológico de las instituciones de abastecimiento de agua potable y alcantarillado. Centro Panamericano De Ingeniería Sanitaria y Ciencias Del Ambiente. Lima. [En línea] [Disponible en: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/011643/011643-09.pdf] Consultado el: 28 de junio 2013. p. 2. 20 Volátiles Sólidos en suspensión (SS) Fijo Volátiles Sólidos sedimentables DBO5, 20°C Carbono orgánico total (COT) DQO Nitrógeno (Total en la forma de N) Orgánico Amoniaco libre Nitritos Nitratos Fosforo (Total en la forma de P) Orgánico Inorgánico Cloruros Sulfato Alcalinidad (como CaCO3) Grasa Coliformes totales Compuestos Orgánicos Volátiles 105 200 325 100 20 80 220 55 165 350 75 275 5 110 10 220 20 400 80 250 160 500 290 1000 20 8 12 0 0 40 15 25 0 0 85 35 50 0 0 4 1 3 30 20 8 3 5 50 30 15 5 10 100 50 50 50 10-10 100 100 10-10 200 150 10-10 <100 100-400 >400 Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. 2.2.7 Características de las aguas residuales domésticas. Es necesario conocer las características físicas, químicas y biológicas de las aguas residuales domesticas para entre otras características establecer las cargar orgánicas y los sólidos que transporta, determinar efectos del vertimiento a cuerpos de agua y seleccionar las operaciones y procesos de tratamiento que resulten más eficaces y económicos. 2.2.7.1 Características físicas. Entre las características físicas es importante destacar los sólidos en suspensión, la materia orgánica, la temperatura, la concentración y la clase de solidos principalmente, además del color, el olor y la turbidez. (Ver Tabla 4) 21 Tabla 4. Características físicas de las aguas residuales domésticas Contaminantes Razón de la importancia Los sólidos en suspensión pueden dar lugar al desarrollo de depósitos de Sólidos en fango y de condiciones anaeróbica cuando se vierte agua residual sin suspensión tratar al entorno acuático. Materia orgánica Compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, grasas animales, la materia orgánica biodegradable se mide, en la mayoría de las biodegradable ocasiones, en función de la DBO (demanda bioquímica de oxígeno) y de la DQO (demanda química de oxígeno). Si se descargan al entorno sin tratar su estabilización biológica puede llevar al agotamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas. Pueden transmitirse enfermedades contagiosas por medio de los Patógenos organismos patógenos presentes en agua residual. Tanto el nitrógeno como el fósforo, junto con el carbono, son nutrientes Nutrientes esenciales para el crecimiento. Cuando se vierten al entorno acuático, estos nutrientes pueden favorecer el crecimiento de una vida acuática no deseada. Son compuestos orgánicos o inorgánicos determinados sobre la base de Contaminantes su carcinogenicidad, mutagenicidad, teratogenicidad o toxicidad aguada prioritarios conocida o sospechada. Muchos de estos compuestos se hallan presentes en el agua residual. Materia orgánica Esta materia orgánica tiende a resistir los métodos convencionales de tratamiento. Ejemplos típicos son los agentes tensoactivos, los fenoles y refractaria los pesticidas agrícolas. Metales Pesados Los metales pesados son, frecuentemente añadidos al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales, y puede ser necesario eliminarlos si se pretende reutilizar el agua residual. Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio, sodio y los sulfatos se Sólidos añaden al agua de suministro como consecuencia del uso del agua, y es inorgánicos posible que se deban eliminar si se va a reutilizar el agua residual. disueltos Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. Para la caracterización física de las aguas residuales domésticas se debe contar con información de: Sólidos totales. Son aquellos que quedan de residuo después de someter una muestra de agua a un proceso de evaporación entre 103-105 °C. Los sólidos sedimentables son aquellos que se posan en un recipiente de fondo cónico después de 60 minutos; se expresan en ml/l y constituyen una medida aproximada de la cantidad de fango que se obtendrá luego de la decantación primaria del agua residual. La fracción coloidal está compuesta por partículas que van desde 0.001 hasta un micrómetro. Los sólidos disueltos están compuestos por moléculas orgánicas, iones e inorgánicas en disolución en el agua. La fracción coloidal no es posible eliminarla por sedimentación; normalmente para eliminar esta, 22 es necesario realizar un tratamiento de oxidación biológica o la coagulación complementada con sedimentación. (Ver Tabla 5) Temperatura. En el agua residual suele ser ligeramente mayor a la del agua de suministro, debido a que las aguas residuales domésticas e industriales llegan a los receptores con temperaturas elevadas. En función de la situación geográfica, la temperatura media anual varía entre 10 y 21 °C, siendo 15.6°C la temperatura media. La temperatura del agua es un parámetro muy importante dada su influencia, tanto sobre el desarrollo de la vida acuática como sobre las reacciones químicas y sus velocidades de reacción, así como sobre la aptitud del agua para ciertos usos útiles. El oxígeno es menos soluble en agua caliente que en agua fría; el aumento de las velocidades de reacciones químicas que produce un aumento de la temperatura, combinado con la reducción del oxígeno presente en las aguas superficiales, es causa frecuente del oxígeno disuelto durante meses de verano. El aumento de temperatura acelera la descomposición de la materia orgánica, aumenta el consumo de oxígeno para la oxidación y disminuye la solubilidad del oxígeno y otros gases. Tabla 5. Clasificación de los sólidos presentes en aguas residuales Sedimentables 73% Orgánicos 75% Mineral 25% Suspendidos 30% No Sedimentables Orgánicos 75% 27% Mineral 25% Sólidos totales Coloidal 10% Orgánicos 80% Mineral 20% Filtrables 70% Disuelta 90% Orgánicos 35% Mineral 65% Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. La densidad, viscosidad y tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura, o al contrario cuando esta disminuye, estos cambios modifican la velocidad de sedimentación de partículas en suspensión y la transferencia de oxígeno en procesos biológicos de tratamiento. Sólidos. Se encuentran en suspensión, coloidales y disueltos; los sólidos contenidos en aguas residuales se oxidan consumiendo el oxígeno disuelto en el agua, se sedimentan al fondo de los cuerpos de aguas receptores donde modifican el habitad natural y afectan la biótica acuática. 23 Densidad. Se define la densidad de un agua residual como su masa por unidad de volumen (kg/m3), es un parámetro importante ya que de esta depende la potencial formación de corrientes de densidad en fangos de sedimentación y otras instalaciones de tratamiento Suele emplearse como alternativa a la densidad el peso específico del agua residual, obtenido como cociente entre la densidad del agua residual y la densidad del agua. Ambos parámetros dependen de la temperatura y varían en función de la concentración total de sólidos en el agua residual. Color. Para la descripción de un agua residual, se empleaba el término condición junto con la composición y la concentración. Este término se refiere a la edad del agua residual, que puede ser determinada cualitativamente en función de su color y su olor. El agua residual reciente suele tener un color grisáceo. Sin embargo, al aumentar el tiempo de transporte en las redes de alcantarillado y al desarrollarse condiciones más próximas a las anaerobias, el color del agua residual cambia gradualmente de gris a gris oscuro, para finalmente adquirir color negro. Llegado este punto, suele clasificarse el agua residual como séptica. Algunas aguas residuales industriales pueden añadir color a las aguas residuales domésticas. El color gris, gris oscuro o negro del agua residual es debido a la formación de sulfuros metálicos por reacción del sulfuro liberado en condiciones anaerobias con los metales presentes en el agua residual. Olores. Producto de los gases liberados durante la descomposición de la materia orgánica. El agua residual reciente posee un olor característico, algo desagradable pero más tolerable que el del agua séptica (presencia de sulfuro de hidrógeno por reducción de sulfato a sulfito por microorganismos anaerobios). Normalmente las aguas residuales industriales contienen compuestos con olor característico, con tendencia a producir otros olores durante el proceso de tratamiento. La problemática de los olores está vinculada al rechazo de la implantación de plantas de tratamiento de aguas residuales y muchos proyectos relacionados. El mal olor detectado por el sentido del olfato, influye más en la tensión psicológica, que en los posibles daños que esta pueda ocasionar al organismo, generando problemas que a la larga van a influir en el descenso de las rentas, mercado de propiedades, los ingresos por impuestos y ventas. Turbidez. Es una medida de las propiedades de transmisión de la luz de un agua; la turbidez es un importante indicador de la calidad de las aguas vertidas o de las aguas naturales en relación con la materia coloidal y residual en suspensión. La medición de la turbiedad se lleva a cabo mediante la comparación entre la intensidad de la luz dispersada en la muestra y la 24 intensidad registrada en una suspensión de referencia en las mismas condiciones. 2.2.7.2 Características químicas. Estas características vienen dadas por que las aguas han recibido sales inorgánicas y materia orgánica de la preparación de alimentos, del metabolismo humano, además de biocidas, detergentes y desinfectantes. El estudio de estas características se abarca principalmente en los siguientes cuatro apartados: La materia orgánica. La medición del contenido orgánico. La materia inorgánica. Los gases presentes Para la caracterización química de las aguas residuales domésticas se debe contar con información de: Materia orgánica. Cerca del 75% de los sólidos en suspensión y del 40% de los sólidos filtrables de un agua residual de concentración media son de naturaleza orgánica. Son sólidos que provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, con la presencia, en determinados casos, de nitrógeno. Los principales grupos de sustancias orgánicas presentes en el agua residual son las proteínas (40-60%), hidratos de carbono (25-50 %), y grasas y aceites (10%). Otro compuesto orgánico con importante presencia en el agua residual es la urea, principal constituyente de la orina. No obstante, debido a la velocidad del proceso de descomposición de la urea, raramente está presente en aguas residuales que no sean muy recientes. Hidratos de carbono. Ampliamente distribuidos por la naturaleza, los hidratos de carbono incluyen azúcares, almidones, celulosa y fibra de madera, compuestos todos ellos presentes en el agua residual. Los hidratos de carbono contienen carbono, oxígeno e hidrógeno. Algunos hidratos de carbono son solubles en agua, principalmente los azúcares, mientras que otros, como los almidones, son insolubles. Los azúcares tienen tendencia a descomponerse; las enzimas de determinadas bacterias y fermentos dan lugar a un proceso de fermentación que incluye la producción de alcohol y dióxido de carbono. Los almidones, por otro lado, son más estables, pero se convierten en azúcares por la actividad bacteriana así como por la acción de ácidos minerales diluidos. 25 Desde el punto de vista del volumen y la resistencia a la descomposición, la celulosa es el hidrato de carbono cuya presencia en el agua residual es más importante. Grasas, grasas animales y aceites. Las grasas animales y los aceites son el tercer componente, en importancia, de los alimentos. El término grasa, de uso extendido, engloba las grasas animales, aceites, ceras y otros constituyentes presentes en las aguas residuales. Las grasas se hallan entre los compuestos orgánicos de mayor estabilidad y su descomposición por acción bacteriana no resulta sencilla. No obstante sufren el ataque de ácidos minerales, lo cual conduce a la formación de glicerina y ácidos grasos. En presencia de determinadas sustancias alcalinas como el hidróxido de sodio, se libera la glicerina dando paso a la formación de sales alcalinas y ácidos grasos. Las sales alcalinas que se producen se conocen como jabones, sustancias que, como las grasas, son estables. Los jabones comunes se obtienen mediante la saponificación de grasas con hidróxido de sodio. El keroseno, los aceites lubricantes y los procedentes de materiales bituminosos son derivados del petróleo y del alquitrán, y sus componentes principales son carbono e hidrógeno. Los aceites minerales tienden a recubrir las superficies en mayor medida que las grasas, los aceites y los jabones. Las partículas de estos compuestos interfieren en el normal desarrollo de la actividad biológica y son causa de problemas de mantenimiento. Agentes tensoactivos. Están formados por moléculas de gran tamaño, ligeramente solubles en agua, y que son responsables de la aparición de espumas en las plantas de tratamiento y en la superficie los cuerpos de agua receptores de los vertidos de agua residual. Tienden a concentrarse en la interfase aire-agua. Durante el proceso de aireación del agua residual se concentran en la superficie de las burbujas de aire creando una espuma muy estable. Los agentes tensoactivos también reciben el nombre de sustancias activas al azul de metileno (MBAS por su sigla en inglés). Pesticidas y productos químicos de uso agrícola. Los compuestos orgánicos que se hallan a nivel de traza, tales como pesticidas, herbicidas y otros productos químicos de uso agrícola, son tóxicos para la mayor parte de las formas de vida y por lo tanto, pueden constituir peligrosos contaminantes de las aguas superficiales. Estos productos no son constituyentes comunes de las aguas residuales, sino que suelen incorporarse a las mismas, fundamentalmente, como consecuencia de la escorrentía: de parques, campos agrícolas y tierras abandonadas. Las concentraciones de estos productos químicos pueden dar como resultado la muerte de peces, contaminación de la 26 carne del pescado (con lo que reduce su valor nutritivo), y el empeoramiento dela calidad del agua suministrada. 2.2.7.3 Medición de la materia orgánica. Los diferentes métodos pueden clasificarse en dos grupos, los empleados para determinar altas concentraciones de contenido orgánico, mayores de 1 mg/l, y los empleados para determinar las concentraciones a nivel de traza, para concentraciones en el intervalo de los 0,001 a 1 mg/l. El primer grupo incluye los siguientes ensayos de laboratorio: Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Demanda química de oxígeno (DQO) Carbono orgánico total (COT) Demanda teórica de oxígeno (DTeO) (determinada a partir de la fórmula química de la materia orgánica) En el segundo grupo de ensayos, los empleados para determinar concentraciones a nivel de traza, por debajo de 1 mg/l, se emplean métodos instrumentales que incluyen la cromatografía de gases y la espectroscopia de masa. Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). El parámetro de contaminación orgánica más empleado, aplicable tanto en aguas residuales como a aguas superficiales, es la DBO a cinco días (DBO5). La determinación del mismo está relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica. Los resultados de esta prueba se emplean para: Determinar la cantidad aproximada de oxigeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica presente en el agua residual. Dimensionar las instalaciones de tratamiento de las aguas residuales. Medir la eficiencia de algunos procesos de tratamiento. Controlar el cumplimiento de las limitaciones a que están sujetos los vertidos. Demanda química de oxígeno (DQO). Se emplea para medir la cantidad de materia orgánica presente en las aguas naturales y en las residuales (industrial y/o municipal) susceptible de ser oxidadas químicamente. En el ensayo se emplea un agente químico fuertemente oxidante (dicromato potásico) en medio ácido para la determinación del equivalente de la materia orgánica que puede oxidarse. Se debe realizar en presencia de alta temperatura y con un catalizador (sulfato de plata). 27 En el caso de emplearse dicromato como agente oxidante, la principal reacción química que tiene lugar se puede expresar así: ( ) → (Ec.1) La DQO del agua residual suele ser mayor que la DBO de la misma, siendo esto debido al mayor número de compuestos cuya oxidación tiene lugar por vía química frente a los que oxidan por vía biológica. En muchos tipos de agua es posible hacer una relación entre la DBO y la DQO, esto es de gran utilidad dado que es posible determinar la DBO en tres horas, tiempo que se emplea para determinar la DQO y no en cinco días. Carbono orgánico total (COT). Especialmente indicado para pequeñas concentraciones de materia orgánica. El ensayo se lleva a cabo inyectando una cantidad conocida de la muestra en un horno a alta temperatura o en un medio químicamente oxidante. En presencia de un catalizador, el carbono orgánico se oxida a anhídrido carbónico, la producción del cual se mide cuantitativamente con un analizador de infrarrojos. El ensayo es realizable en muy poco tiempo. Cabe mencionar que algunos compuestos orgánicos presentes pueden no oxidarse, lo cual conducirá a valores medidos del COT ligeramente inferiores a las cantidades realmente presentes en la muestra. Demanda teórica de oxígeno (DTeO). Normalmente, la materia orgánica de origen animal o vegetal presente en las aguas residuales, proviene de combinaciones de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Los principales grupos de compuestos de este tipo presentes en las aguas residuales son. Los hidratos de carbono, las proteínas, los aceites y las grasas, y los productos de la descomposición de los mismos. Correlación entre las diferentes medidas del contenido de materia orgánica. La posibilidad de establecer relaciones entre los diferentes de parámetros de medida de materia orgánica, depende del tipo de agua residual y de su origen. Para aguas domésticas brutas, el cociente DBO5/DQO se halla en el intervalo 0.4-0.8, mientras que la relación DBO5/COT varía entre 1,0 y 1,6. Es importante hacer mención del hecho que esta relación, presenta importantes variaciones en función del nivel de tratamiento a que se ha sometido las aguas residuales antes de hacer los análisis. 2.2.7.4 Materia inorgánica. Son varios los componentes inorgánicos presentes en las aguas naturales y residuales, además de que sus concentraciones aumentan tanto por el contacto del agua con las diferentes formaciones geológicas (dilución de rocas y arrastre de suelos), a medida que ocurre la evaporación 28 superficial del agua y por las aguas residuales tratadas o sin tratar, que a ella se descarga. Las aguas residuales, salvo el caso de determinados compuestos industriales, no se suelen tratar con el objetivo específico de eliminar los constituyentes inorgánicos que se incorporan durante el ciclo de uso. Tienen importancia para la determinación y control de la calidad del agua10. Potencial de hidrógeno (pH). La concentración de ión hidrógeno es un parámetro de calidad de gran importancia tanto para el caso de las aguas naturales como residuales. El intervalo de concentraciones requerido para la adecuada proliferación y desarrollo de la vida biológica es bastante estrecho y crítico. El agua residual con concentraciones de ion hidrógeno inadecuadas presenta dificultades de tratamiento con procesos biológicos y el efluente puede modificar la concentración de ion hidrógeno en las aguas naturales si esta no se modifica antes de la evacuación de las aguas. El pH de los sistemas acuosos puede medirse convenientemente con potenciómetro. Para el mismo procedimiento de medición también se emplean soluciones indicadoras y papeles indicadores (tornasol) que se comparan con una tabla de colores que indica el rango de pH. Cloruros. se encuentran en el agua natural proceden de la disolución de suelos y rocas que los contengan y que están en contacto con el agua. En las zonas costeras, la intrusión de agua salada; y la descarga de aguas residuales domésticas (las heces humanas contienen 6 g de Cloruros/ persona * día), agrícolas e industriales a aguas superficiales. Alcalinidad. de un agua residual, está provocada por la presencia de hidroxilos, carbonatos, bicarbonatos de elementos como calcio, magnesio, sodio, potasio o amoniaco. La alcalinidad ayuda a regular los cambios de pH producidos por la adición de ácidos. Normalmente el agua residual es alcalina, propiedad que adquiere por el uso doméstico. La alcalinidad se determina titulando con un ácido normalizado y, sus resultados se expresan como mg/l CaCO 3. La concentración de la alcalinidad es importante en aquellos casos donde empleen tratamientos químicos, eliminación biológica de nutrientes, eliminación de amoniaco. 10 BERNAL, Leonardo. Análisis Evaluativo Técnico y Económico Entre Tres Plantas de Aguas Residuales: Dos Para Tratamiento De Agua Domestica y Una Para Tratamiento De Agua Industrial. Trabajo de grado para optar al título en Ingeniería de Producción Agroindustrial. Universidad de La Sabana. Bogotá D.C. 2003. 29 Nitrógeno. los elementos como el nitrógeno y el fósforo son esenciales para el crecimiento de protistas y plantas, razón por la cual reciben el nombre de nutrientes (en la mayoría de los casos, los principales nutrientes) o bioestimuladores. Puesto que el nitrógeno es absolutamente básico para la síntesis de proteínas, será preciso conocer datos sobre la presencia del mismo en aguas y en qué cantidades para valorar la posibilidad de tratamiento de agua residual. Generalmente en las aguas residuales se eliminan estos nutrientes, para asegurar que en las masas receptoras no haya formación de algas y así preservar sus usos. El contenido de nitrógeno total está compuesto por: Nitrógeno orgánico. Se determina por el método Kjeldahl (digestión en la que el nitrógeno orgánico se convierte en amoniaco). Amoniaco. se determina elevando el pH, destilando el amoniaco con el vapor producido, cuando se hierve la muestra y condensando el vapor que absorbe el amoniaco gaseoso. La medida se lleva a cabo colorimétricamente, titrimétricamente o mediante conjuntos ion-electrodo específico. Nitrito. Su determinación se realiza colorimétricamente, es relativamente inestable y fácilmente oxidable a la forma nitrato. Es un indicador de la contaminación anterior al proceso de estabilización y raramente excede la cantidad de 1 mg/l en agua residuales y 0.1 mg/l en aguas subterráneas y superficiales los nitritos resultan tóxicos para la fauna piscícola y demás especies acuáticas. Nitrato: Es la forma más oxidada del nitrógeno que se puede encontrar en el agua residual. Su concentración en los efluentes puede variar de 0 a 20 mg/l en forma de nitrógeno (valor típico 15 mg/l) y su concentración se puede determinar mediante métodos colorimétricos. En concentraciones superiores a los 45 mg/l de NO3, sus consecuencias para los niños son graves y ocasionalmente fatales. Fósforo. También es esencial para el crecimiento de algas y otros organismos biológicos. Debido a que en aguas superficiales tienen lugar nocivas proliferaciones incontroladas de algas, actualmente existe mucho interés en limitar la cantidad de compuestos de fósforo que alcanzan las aguas superficiales por medio de vertidos de aguas residuales domésticas (aguas de municipio contienen entre 4 y 15 mg/l), industriales y escorrentías naturales. Las formas más frecuentes en que se presenta el fósforo en soluciones acuosas incluyen el ortofosfato, el polifosfato y los fosfatos orgánicos . 30 Azufre. el ion sulfato se encuentra, de forma natural, tanto en la mayoría de las aguas de abastecimiento como en el agua residual. Para la síntesis de proteínas, es necesario disponer de azufre, elemento que posteriormente será liberado en el proceso de degradación de las mismas. Los sulfatos se reducen químicamente a sulfuros y sulfuros de hidrógeno (H2S) bajo la acción bacteriana en condiciones anaerobias. A continuación se muestran las reacciones generales que rigen estos procesos: → (Ec.2) (Ec.3) El sulfuro de hidrógeno que se acumula en las tuberías de las redes de los alcantarillados se oxida mediante procesos biológicos para formar ácido sulfúrico que es corrosivo para estas. Tóxicos. afectan a los microorganismos y a los procesos de tratamiento y provienen de productos farmacéuticos, químicos y biocidas. Algunos tóxicos comunes son plomo, cromo, zinc, mercurio, plata, arsénico, boro cianuro, ácidos, bases fuertes, derivados de petróleo y biocidas. Esta es un tipo de contaminación mayormente industrial. Gases. en las aguas residuales los gases son productos de la descomposición biológica de la materia organiza y de la transferencia desde la atmosfera, entre los que encontramos los siguientes: Oxígeno disuelto. Es necesario para la respiración de los organismos aerobios, así como para otras formas de vida, sin embargo el oxígeno es poco soluble en el agua. La cantidad real del oxígeno y otros gases que pueden estar presentes en la solución, viene condicionada por los siguientes aspectos: Solubilidad del gas. Presión parcial del gas en la atmósfera. Temperatura Pureza del agua. Debido a que la velocidad de las reacciones bioquímicas que consumen oxígeno aumenta con la temperatura, los niveles de oxígeno disuelto tienden a ser más críticos en épocas de verano. Sulfuro de hidrógeno. Se forma durante el proceso de descomposición de la materia orgánica que contiene azufre, o la reducción de sulfitos y sulfatos 31 minerales, mientras que su formación queda inhibida en presencia de grandes cantidades de oxígeno. Es un gas incoloro, inflamable con olor característico a huevo podrido. El ennegrecimiento del agua residual y del fango se debe generalmente a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con hierro presente para formar sulfuro ferroso u otros sulfuros metálicos. Metano. Es el principal subproducto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residual. El metano es un hidrocarburo combustible de alto valor energético, incoloro e inodoro. Normalmente no se encuentra en grandes cantidades en el agua residual, puesto que incluso pequeñas cantidades de oxígeno tienden a ser tóxicas para los organismos productores de metano. Debido a que es un compuesto altamente volátil, se recomienda airear el sistema para que no haya peligro de explosión en los pozos de registro y empalmes de alcantarillas y cámaras de conexión en donde exista el riesgo de acumulaciones. En las plantas de tratamiento, el metano se genera en los procesos de tratamiento anaeróbicos empleados para la estabilización de los fangos en las aguas residuales. Dióxido de carbono (CO2). la concentración de este es función del pH y el equilibrio químico del agua, es producido durante la respiración de microorganismos en el agua residual y como producto de la descomposición biológica. Amoniaco (NH3, NH4+). su distribución depende del pH del agua. A altos valores de pH favorece la presencia de NH3. Resultado de la descomposición biológica de compuestos nitrogenados. 2.2.7.5 Características biológicas. Las aguas residuales domesticas contienen un gran número de microorganismos vivos cuya función es la descomposición, transformación y fermentación de la materia orgánica. Pueden ser de origen vegetal como las plantas, semillas, helechos; de origen animal (vertebrados e invertebrados) o protistas como las bacterias, hongos protozoos y algas11. Cada uno de estos grupos desempeña un papel importante dentro del proceso de degradación de la materia orgánica y constituyen indicadores de la calidad del agua residual doméstica. Los factores ambientales pueden causar efectos sobre los organismos y ocasionar que se modifique su intensidad e implicando que su función autodepuradora se vea reducida. 11 Anónimo. (2008).Caracterización de las aguas residuales urbanas de uso doméstico. 32 En general las características biológicas del agua residual se miden en pruebas para organismos. Clasificación de los microorganismos. Entre los organismos presentes en las aguas residuales domesticas se encuentran los organismos eucariotas, las bacterias y las arquebacterias, además de organismos patógenos y organismos indicadores de contaminación. (Ver Tabla 6) Tabla 6. Clasificación de los microorganismos Grupo Estructura celular Eucariotas Eucariota Bacterias Procariota Arqueobacterias Procariota Miembros representativos Plantas (plantas Multicelular con de semilla, gran diferenciación musgos y de las células y el helechos), tejido. animales Unicelular, con (vertebrados e escasa o nula invertebrados), diferenciación de protistas (algas, tejidos. hongos y protozoos). Química celular La mayoría de las parecida a las bacterias. eucariotas. Metanógenos, Química celular halófilos distintiva. termacidófilos. Caracterización Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. Bacterias. Generalmente realizan los procesos de descomposición de la materia orgánica del agua residual, tanto en el ámbito natural como en el de las plantas de tratamiento. Algunas de ellas (los coliformes) sirven como indicador de los desechos humanos, de ahí su importancia y estudio en los procesos de depuración de aguas residuales. Hongos. Son saprofitos (se alimentan de materia orgánica muerta) y junto con las bacterias son los principales responsables de la descomposición del carbono en la biosfera. Pueden crecer en zonas de baja humedad y con bajos pH. Su ausencia en los procesos de degradación provocaría una interrupción en el ciclo del carbono y una acumulación de materia orgánica. Algas. Cuando las características de los lagos, ríos y asentamientos de agua son favorables (lagos eutróficos: ricos en contenido de compuestos orgánicos 33 necesarios para el crecimiento biológico), se produce en las aguas superficiales un crecimiento explosivo, donde estos se cubren con grandes colonias de algas, que afectan el olor y el sabor de las aguas y, normalmente los efluentes residuales favorecen la tasa de eutrofización del agua. Protozoos. Las amebas, los flagelados y los ciliados libres y fijos, son los de más importancia, debido a que los protozoos se alimentan de algunas bacterias y otros microorganismos microscópicos, por lo cual en los procesos de purificación biológicos son capaces de mantener el equilibrio natural entre los diferentes tipos de microorganismos. El problema radica en que ciertos protozoos son microorganismos muy patógenos y pueden producir enfermedades mortales. Plantas y animales. Son de diversos tamaños y formas y, su especial importancia para la depuración de las aguas residuales, es que su presencia o ausencia son relativos a los contenidos de sustancias toxicas evacuadas al medio y a la efectividad de los procesos de tratamiento de efluentes. Si la vida se desarrolla normalmente, es prueba de un tratamiento apto y una descontaminación eficiente. Virus. son partículas invasoras formadas por un cordón de material genético. Se alimentan y destruyen a las células que las acogen, formando gran cantidad de réplicas. Debido a su alta propagación son muy infecciosas y sus periodos de vida en aguas servidas, supera los 41 días, lo que favorece la propagación de enfermedades. Organismos patógenos. proceden de desechos humanos que están infectados o que sean portadores de una determinada enfermedad. Las principales clases de organismos patógenos presentes en las aguas residuales domesticas son: bacterias, virus, protozoos y helmintos. En la Tabla 7 se describen los organismos biológicos y su función: Tabla 7. Función de los microorganismos Organismos biológicos Función Protistas: Bacterias Descomposición y estabilización de la materia orgánica. Hongos Principales responsables de la descomposición del carbono en la biosfera. Algas Aporte de oxígeno; en exceso producen el fenómeno de eutrofización, aumento del crecimiento de ciertas especies de peces alterando el sistema acuático. 34 Protozoos Plantas y animales Virus Purificación de los ríos al mantener un equilibrio natural entre los distintos grupos de microorganismos. Estos son las amebas, los flagelados, ciliados libres y fijos. Permiten valorar el estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad que traen las aguas y el desarrollo efectivo de la vida biológica. Son capaces de invadir las células del cuerpo vio que las acoge y reconducen la actividad celular hacia la producción de nuevas partículas virales a costa de las células originales. Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 1ª Edición. México – 1985. 2.2.8 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. El tratamiento de las aguas residuales se hace importante a la hora de minimizar el impacto sobre el medio ambiente ocasionado por el vertido de contaminantes al medio, así como las propuestas de ahorro y reutilización de agua. La calidad del agua se diferencia según el destino o el uso que se le asigne, de esto depende el tratamiento necesario que se debe aplicar al agua residual, la calidad del agua que entra a un sistema de tratamiento se puede variar aplicando métodos físicos, químicos y biológicos que se combinan como operaciones unitarias12. Los efectos producidos en los causes (efluentes) cuando llegada un vertido de agua residual sin tratar: Tapiza la vegetación de las riberas con residuos sólidos gruesos que lleva el agua residual, tales como plásticos, utensilios, restos de alimentos, etc. Acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas del cauce, tales como arenas y materia orgánica. Consumo del oxígeno disuelto que tiene el cauce por descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua residual. Formación de malos olores por agotamiento del oxígeno disuelto del cauce que no es capaz de recuperarse. Entrada en el cauce de grandes cantidades de microorganismos entre los que pueden haber elevado número de patógenos. Contaminación por compuestos químicos tóxicos o inhibidores de otros seres vivos (dependiendo de los vertidos industriales) 12 METCALF & EDDY. Harrison. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. Madrid – 1996. p. 5. 35 Aumenta la eutrofización al portar grandes cantidades de fósforo y nitrógeno13. Los objetivos de una planta de tratamiento de agua residual según U. S. EMVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (EPA), 1996 son: Eliminación de residuos, aceites, grasas, flotantes, arenas, etc. y evacuación al punto de destino final adecuado. Eliminación de materias decantables orgánicos o inorgánicos Eliminación de la materia orgánica Eliminación de compuestos amoniacales y que contengan fósforo (en aquellas que viertan a zonas sensibles) Transformación de los residuos retenidos en fangos estables y que éstos sean correctamente dispuestos. Las determinaciones analíticas que siempre se usan en una planta de tratamiento de agua residual para conocer el grado de calidad de su tratamiento son, entre otras: S S (Sólidos en suspensión o materias en suspensión) D.B.O. (Demanda biológica o bioquímica del oxígeno) D.Q.O. (Demanda química de oxígeno) Nitrógeno. Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residual son las amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos. Fósforo: bien como fósforo total, bien como ortofosfato disuelto. Una planta de tratamiento de agua residual está formada por la combinación de operaciones químicas, físicas y biológicas necesarias para obtener la calidad del agua afluente deseada. Las operaciones físicas constituyen procesos donde se utiliza las fuerzas físicas para separar los contaminantes del agua, entre las más utilizadas están; la floculación, los enrejados, el mezclado, la sedimentación y la filtración. De igual forma las operaciones químicas constituyen la adición de compuestos químicos para la eliminación de contaminantes, entre los procesos químicos utilizados están; la absorción, la precipitación y la desinfección. Los procesos biológicos unitarios son aquellos en que la eliminación de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biológica; su aplicación principal es la eliminación de la materia orgánica biodegradable presente en las aguas residuales14. 13 14 BERNAL, L. Op. Cit. p. 16. METCALF & EDDY, L. Ibid, p. 7 36 2.2.8.1 Pretratamiento de las aguas residuales. Se define como el proceso de eliminación de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia pueda provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares. Como ejemplos de pretratamientos podemos citar el desbaste y dilaceración para la eliminación de sólidos gruesos y trapos, la flotación para la eliminación de grasas y aceites y el desarenado para la eliminación de la materia en suspensión gruesa que pueda causar obstrucciones en los equipos y un desgaste excesivo de los mismos. 2.2.8.2 Tratamiento primario de las aguas residuales. En este se elimina una fracción de los sólidos en suspensión y de la materia orgánica del agua residual. Esta eliminación suele llevarse a cabo mediante operaciones físicas tales como el tamizado y la sedimentación. El efluente del tratamiento primario suele contener una cantidad considerable de materia orgánica y una DBO alta. 2.2.8.3 Tratamiento secundario convencional. Está principalmente encaminado a la eliminación de los sólidos en suspensión y de los compuestos orgánicos biodegradables, aunque a menudo se incluye la desinfección como parte del tratamiento secundario. Se define como la combinación de diferentes procesos normalmente empleados para la eliminación de estos constituyentes, e incluye el tratamiento biológico con fangos activados, reactores de lecho fijo, los sistemas de lagunaje y la sedimentación. 2.2.8.4 Tratamiento avanzado. Se define como el nivel de tratamiento necesario, más allá del tratamiento secundario convencional, para la eliminación de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atención, como los nutrientes, los compuestos tóxicos y los excesos de materia orgánica o de sólidos en suspensión. Además de los procesos de eliminación de nutrientes, otros procesos u operaciones unitarias habitualmente empleadas en los tratamientos avanzados son la coagulación química, floculación, y sedimentación seguida de filtración y carbono activado. Para la eliminación de iones específicos y para la reducción de sólidos disueltos, se emplean métodos menos comunes, como el intercambio iónico o la ósmosis inversa. También se emplea el tratamiento avanzado para diversas posibilidades de reutilización de las aguas residuales. 2.2.9 OPERACIONES FÍSICAS UNITARIAS. Las operaciones llevadas a cabo en el tratamiento de las aguas residuales, en las que los cambios en las características y propiedades del agua se realizan mediante la aplicación de las fuerzas físicas. 2.2.9.1 Medición de caudales. Un aspecto crítico en la eficacia de explotación de una planta moderna de tratamiento de aguas residuales es la correcta selección, uso y mantenimiento de los aparatos de medición del caudal. 37 En canales abiertos o, en conducciones parcialmente llenas, la determinación del caudal se lleva a cabo midiendo la pérdida de carga generada por la introducción de una obstrucción en la conducción, tal como un estrangulamiento o una placa vertedero, o por medida de la sección mojada y de la velocidad de flujo asociada. Posiblemente, el dispositivo más utilizado para la medición del caudal de agua residual sea el aforador Parshall. 2.2.9.2 Desbaste. Primera operación que tiene lugar en las plantas depuradoras de agua. Los elementos separadores pueden estar constituidos por barras, alambres o varillas paralelas, rejillas, telas metálicas o placas perforadas, y las aberturas pueden ser de cualquier forma, aunque normalmente suelen ser ranuras rectangulares u orificios circulares. Una rejilla es un elemento con aberturas, generalmente de tamaño uniforme que se utiliza para retener los sólidos gruesos existentes en el agua residual. Los elementos formados por varillas o barras paralelas reciben el nombre de rejas de barrotes. El término tamiz se circunscribe al uso de placas perforadas y mallas metálicas de sección cuneiforme. La función que desempeñan las rejas y tamices se conoce con el nombre de desbaste y el material separado en esta operación recibe el nombre de basuras o residuos de desbaste. 2.2.9.3 Homogeneización de caudales. La homogeneización consiste, simplemente, en amortiguar por laminación las variaciones de caudal, con el objeto de conseguir un caudal constante o casi constante. Esta técnica puede aplicarse en situaciones diversas, dependiendo de las características de la red de alcantarillado. Las principales aplicaciones están concebidas para la homogeneización de: Caudales en tiempo seco. Caudales procedentes de redes de alcantarillado separativas en épocas lluviosas. Caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias, combinación de aguas pluviales y aguas residuales sanitarias. Las principales ventajas que produce la homogeneización de los caudales son las siguientes: Mejora del tratamiento biológico, ya que eliminan o reducen las cargas de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar el pH. Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes. 38 Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes. 2.2.9.4 Mezclado. El mezclado es una operación unitaria de gran importancia en muchas fases del tratamiento de aguas residuales. Las operaciones de mezclado que se relacionan con el tratamiento de aguas residuales se clasifican como continuas (casos en los que se debe mantener en suspensión el contenido de un reactor o dispositivo) y rápidas continuas (casos en los que se debe mezclar una sustancia con otra). Mezcla rápida continúa de productos químicos. El principal objetivo consiste en mezclar completamente una sustancia con otra. La mezcla rápida puede durar desde una fracción de segundo hasta alrededor de 30 segundos. Se puede llevar a cabo mediante diversos sistemas, entre los que destacan: resaltos hidráulicos en canales, dispositivos Venturi, conducciones, por bombeo; mediante mezcladores estáticos, en donde el mezclado se consigue como consecuencia de las turbulencias que se crean en el régimen de flujo. Mezcla continua en reactores y tanques de retención. El principal objetivo consiste en mantener en un estado de mezcla completa el contenido del reactor o del tanque de retención. El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante diversos sistemas, entre los cuales se encuentran: mezcladores mecánicos; mecanismos neumáticos; mezcladores estáticos y por bombeo. 2.2.9.5 Sedimentación. Consiste en la separación, por acción de la gravedad, de las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de aguas residuales Se emplea para la eliminación de arenas, de la materia en suspensión en floculo biológico en los decantadores secundarios en el proceso de fango activado, tanques de decantación primaria, de los floculos químicos cuando se emplea la coagulación química y para la concentración de sólidos en los espesadores de fango. Su objetivo principal es la clarificación de efluentes y la producción de fango de fácil manejo. En el Anexo A. hay una tabla que muestra los tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento de aguas residuales. 2.2.9.6 Flotación. En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de los fangos biológicos. Una vez las partículas (lodos químicos) se hallan en superficie, pueden recogerse mediante un barrido superficial. 39 La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua. 2.2.9.7 Filtración. Es una de las principales operaciones en el tratamiento de agua potable. Se emplea de modo generalizado para obtener una mayor eliminación de sólidos en suspensión de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y químicos. 2.2.9.8 Transferencia de gases. La transferencia de gases se puede definir como el fenómeno mediante el cual se transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase gaseosa a la líquida. En el campo del tratamiento del agua residual, la aplicación más común de la transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno en el tratamiento biológico del agua residual. Dada la reducida solubilidad del oxígeno y la baja velocidad de transferencia que ello comporta, suele ocurrir que la cantidad de oxígeno que penetra en el agua a través de la interfase aire superficie del líquido no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio. Es preciso crear interfases adicionales para conseguir transferir la gran cantidad de oxígeno necesaria. Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes cantidades de oxígeno, consisten en turbinas de alta o de baja velocidad o en unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del líquido parcialmente sumergidas. Estos aireadores se proyectan, tanto para mezclar el contenido del tanque, como para exponer el líquido a la acción de la atmósfera en forma de pequeñas gotas. 2.2.10 PROCESOS QUÍMICOS UNITARIOS. Los procesos empleados en el tratamiento de las aguas residuales en los que las transformaciones se producen mediante reacciones químicas reciben el nombre de operaciones químicas unitarias (Ver Tabla 8) Tabla 8. Aplicaciones de los procesos químicos unitarios en el tratamiento del agua residual Proceso Precipitación química Adsorción Aplicación Eliminación de fósforo y mejora de la eliminación de sólidos en suspensión en las instalaciones de sedimentación primario empleadas en tratamientos fisicoquímicos Eliminación de materia orgánica no eliminada con métodos convencionales de tratamiento químico y biológico. También se emplea para declorar el agua residual antes de su 40 Desinfección Desinfección con cloro Desinfección con cloruro de bromo Desinfección con ozono Desinfección con luz ultravioleta Otros vertido final Destrucción selectiva de organismos causantes de enfermedades (realizable de diversas maneras) Destrucción selectiva de organismos causantes de enfermedades. Destrucción selectiva de organismos causantes de enfermedades. Destrucción selectiva de organismos causantes de enfermedades. Destrucción selectiva de organismos causantes de enfermedades. Para alcanzar objetivos específicos en el tratamiento de las aguas residuales, se pueden emplear otros compuestos químicos Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. 2.2.10.1 Precipitación química. La precipitación química en el tratamiento de las aguas residual lleva consigo la adición de productos químicos con la finalidad de alterar el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, y facilitar su eliminación por sedimentación. En algunos casos, la alteración es pequeña, y la eliminación se logra al quedar atrapados dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el propio coagulante. Otra consecuencia de la adición de productos químicos es el incremento neto en los constituyentes disueltos del agua residual. Los procesos químicos, junto con algunas de las operaciones físicas unitarias, se han desarrollado para proporcionar un tratamiento secundario completo a las aguas residuales no tratadas, incluyendo la eliminación del nitrógeno, del fósforo, o de ambos a la vez. Productos químicos empleados para la precipitación del agua residual: Sulfato de aluminio Cloruro férrico Sulfato férrico Sulfato ferroso Cal 2.2.10.2 Desinfección. La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan enfermedades. No todos los organismos se destruyen durante el proceso, punto en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y la esterilización, proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. En el campo de las aguas residuales, las tres categorías de organismos entéricos de origen humano de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son las bacterias, los virus y los quistes amebianos. Las enfermedades bacterianas típicas transmitidas por el agua son: el 41 tifus, el cólera, el paratifus y la disentería bacilar, mientras que las enfermedades causadas por los virus incluyen, entre otras, la poliomielitis y la hepatitis infecciosa. Los métodos empleados para llevar a cabo la desinfección y esterilización son: Agentes físicos: Tales como la luz (radiación ultravioleta) y el calor (pasteurización) Agentes químicos: Generalmente productos oxidantes Medios mecánicos. Radiación: Utilizando los tipos de radiación (radiación electromagnética, la acústica y la radiación de partículas) 2.2.11 PROCESOS BIOLÓGICOS UNITARIOS. Los procesos biológicos, o secundarios, se emplean para convertir la materia orgánica fina coloidal y disuelta en el agua residual en floc biológico sedimentable y sólidos inorgánicos que pueden ser removidos en tanques de sedimentación. Estos procesos se emplean junto con procesos físicos y químicos para el tratamiento preliminar y primario del agua residual. El objetivo es remover la DBO soluble que escapa de un tratamiento primario, además de remover cantidades adicionales de sólidos suspendidos. Estas remociones se efectúan fundamentalmente por medio de procesos biológicos. Los procesos biológicos son eficientes en remoción de sustancias orgánicas que presentan tamaño coloidal e inferior. Un tratamiento secundario típico remueve aproximadamente 85% de la DBO y los SS, aunque no remueve cantidades significativas de nitrógeno, fósforo, metales pesados ni organismos patógenos.15 Los procesos biológicos más comúnmente usados son: Procesos de lodos activados Lagunas aireadas Filtros percoladores Biodiscos Lagunas de estabilización 2.2.11.1 Procesos de lodos activados. Es un proceso en función de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia. En la mayoría de los procesos de lodos activos se van a potenciar los procesos biológicos de síntesis y oxidación de la materia orgánica. 15 Ministerio de Desarrollo Económico, República de Colombia “Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico” –RAS. Título E: Tratamiento de Aguas Residuales. Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Bogotá. 2000. 42 El residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de «líquido mezcla». En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión en concordancia general con la estequiometria de las siguientes ecuaciones: Oxidación y síntesis: BACTERIAS (Ec.4) Nuevas células bacterianas MATERIA ORGANICA Respiración endógena: BACTERIAS (Ec.5) En las ecuaciones (4) y (5), COHNS representa la materia orgánica del agua residual. A pesar de que la reacción de la respiración endógena conduce a la formación de productos finales relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se forman algunos productos orgánicos estables. En el proceso de lodos activados, las bacterias son los microorganismos más importantes, ya que son los causantes de la descomposición de la materia orgánica del afluente. En el reactor o tanque de aireación, las bacterias aerobias o facultativas utilizan parte de la materia orgánica del agua residual con el fin de obtener energía para la síntesis del resto de la materia orgánica en forma de células nuevas. En realidad, sólo una parte del residuo original se oxida a compuestos de bajo contenido energético tales como el NO3, el SO4 o el CO2; el resto se sintetiza en forma de materia celular. Los productos intermedios que se forman antes de producirse los productos finales de oxidación son muy diversos, algunos de los cuales se muestran en el término de la derecha de la ecuación (5). En tanto que las bacterias son los microorganismos que realmente degradan el residuo orgánico del afluente, las actividades metabólicas de otros microorganismos son igualmente importantes en el sistema de fangos activados. Por otro lado, del mismo modo que es importante que las bacterias descompongan el residuo orgánico tan pronto como sea posible, también lo es el que formen un floculo adecuado, puesto que este punto constituye un requisito previo para la separación de los sólidos biológicos en la instalación de sedimentación. Se ha observado que cuando se aumenta el tiempo medio de retención celular mejoran las características de sedimentación del floculo biológico. En el caso de aguas residuales domésticas, los tiempos medios de retención celular necesarios para conseguir una buena sedimentación oscilan entre tres y cuatro días. 43 En el Anexo B. se presentas diferentes modificaciones al proceso de lodos activados así como un resumen de las características operacionales típicas de este proceso. En el Anexo C. se muestran los parámetros empíricos de diseño para el proceso de lodos activos. 2.2.11.2 Filtros percoladores. Un filtro percolador consiste en un tanque que contiene un lecho de material grueso, compuesto en la gran mayoría de los casos de materiales sintéticos o piedras de diversas formas, de alta relación área/volumen, sobre el cual son aplicadas las aguas residuales por medio de brazos distribuidores fijos o móviles. Alrededor de este lecho se encuentra adherida una población bacterial que descompone las aguas residuales a medida que éstas pre-colan hacia el fondo del tanque. Después de cierto tiempo, la capa bacterial adquiere un gran espesor y se desprende hidráulicamente del lecho de piedras para pasar luego a un clarificador secundario en donde se efectúa la separación de los lodos formados. Los filtros percoladores pueden ser utilizados en casos donde no se necesite una eficiencia muy alta en la remoción de DBO. El reactor o filtro consta de un recipiente cilíndrico o rectangular con diámetros variables, hasta de 60 m y con profundidades entre 1.50 y 12 m. El medio filtrante puede ser piedra triturada o un medio plástico manufacturado especialmente para tal fin. El medio debe ser durable, resistente al resquebrajamiento, insoluble, y no debe aportar sustancias indeseables al agua tratada. Los filtros se clasifican según su carga: Filtros de baja carga: Filtros lentos en los cuales el agua hace un solo paso a través del filtro, con cargas volumétricas bajas, permitiendo además una nitrificación relativamente completa. Este tipo de filtro es seguro y simple de operar. Producen una composición del efluente bastante estable, pero crean problemas de olores y moscas. Filtros de alta carga: Emplean la recirculación para crear una carga hidráulica más homogénea, diluyendo por otra parte la DBO 5 influente. El porcentaje de recirculación puede llegar a 400%. Este sistema de filtración tiene una eficiencia tan buena como la de los filtros de baja tasa, y evita en gran medida el problema de moscas y de olores. En el Anexo D. se muestran las Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores. 44 2.2.11.3 Procesos de tratamiento anaerobio. El tratamiento anaerobio es el proceso de degradación de la materia orgánica por la acción coordinada de microorganismos, en ausencia de oxígeno u otros agentes oxidantes fuertes (SO 4, NO3, etc.). Como subproducto de ella se obtiene un gas, denominado usualmente biogás, cuya composición básica es metano CH4 y dióxido de carbono CO2 en un 95%, pero con la presencia adicional de nitrógeno, hidrógeno, amoníaco y sulfuro de hidrógeno, usualmente en proporciones inferiores al 1%. La conversión biológica de la materia orgánica de los lodos es posible que se produce en las siguientes tres etapas: El primer paso del proceso comporta la transformación por vía enzimática (hidrólisis) de los compuestos de alto peso molecular en compuestos que puedan servir como fuentes de energía y de carbono celular. El segundo paso (acidogénesis), implica la conversión bacteriana de los compuestos producidos en la primera etapa en compuestos intermedios identificables de menor peso molecular. El tercer paso (metanogénesis), supone la conversión bacteriana de los compuestos intermedios en productos finales más simples, principalmente metano y dióxido de carbono. En la digestión anaerobia, la estabilización se alcanza cuando se produce metano y dióxido de carbono. El gas metano así producido es altamente insoluble y su desprendimiento de la solución representa la estabilización real del residuo. Los reactores tipo anaerobio más utilizados para el tratamiento de las aguas residuales son: Reactor UASB (RAFA). Reactor anaerobio de flujo ascendente en manto de lodos. En este tipo de reactor el agua es introducida por el fondo del reactor a través de unas boquillas uniformemente distribuidas, pasa a través de un manto de lodos y posee una estructura de sedimentación integrada al mismo tanque que permite el retorno de los lodos de manera natural al espacio de reacción inferior. Existen dos tipos de reactores UASB, según el tipo de biomasa se denominan de: Lodo granular Lodo floculento Reactor anaerobio de flujo pistón (RAP). Es una modificación del reactor anaerobio de pantallas en el cual se permite que la superficie de interfase líquidogas esté en contacto directo con la atmósfera natural. También se adiciona un lecho de empaquetamiento para mejorar la distribución hidráulica del flujo y evitar la compactación de la biomasa. Posee un comportamiento final de sedimentación. 45 Es un reactor anaerobio a pistón para temperaturas entre 15 y 20ºC, desarrollado a partir de los siguientes conceptos: Flujo pistón. Medio plástico inmerso en el agua residual. Alta porosidad para mejorar la separación de gases y biomasa, y propiciar mezcla sin buscar adherencia. Contacto directo de la superficie del agua con la atmósfera, de modo que las bajas concentraciones de CH4 (metano) en esta causen un gradiente importante entre el agua residual, saturada de gas, y el aire. Esto permite la evacuación física de parte del metano y el hidrógeno del agua residual, favoreciendo termodinámicamente la metanogénesis. Filtros anaerobios. En este tipo de reactores existe un medio de soporte fijo inerte al cual crecen adheridos los microorganismos. El agua residual puede tener un flujo vertical ascendente o descendente a través de la cámara. Usualmente no tiene un comportamiento final de sedimentación. 2.2.11.4 Lagunas de estabilización o de oxidación. El objetivo principal de la laguna es una remoción adicional de la concentración del material orgánico y de los sólidos en suspensión. En el caso de lagunas aerobias pueden lograrse excelentes remociones de patógenos nutrientes y metales pesados. Lagunas facultativas. Las características principales de este tipo de lagunas son el comensalismo entre las algas y bacterias en el estrato superior y la descomposición anaerobia de los sólidos sedimentados en el fondo. Su utilización como unidad de tratamiento en un sistema de lagunas puede ser: Como laguna primaria única (caso de climas fríos en los cuales la carga de diseño es tan baja que permite una adecuada remoción de bacterias) o seguida de una laguna secundaria y/o terciaria (normalmente referida como laguna de maduración). Como una unidad secundaria después de lagunas anaerobias o aireadas, para cumplir el propósito de procesar sus efluentes a un grado mayor. Lagunas Anaeróbicas. El proceso del tratamiento en una laguna anaeróbica obedece a dos etapas, siendo la primera la de fermentación (generada por bacterias del tipo facultativo), y la segunda o metanogénesis, generada por bacterias estrictamente anaeróbicas. Las Lagunas Anaeróbicas son dimensionadas bajo el concepto de carga volumétrica aplicada, y permiten en general profundidades mayores que las facultativas, lo que redunda comparativamente en un menor requerimiento de terreno. 46 Por las características propias de la población microbiana y el hábitat en que se desarrollan, las lagunas Anaeróbicas son especialmente sensibles a cambios como el pH y la Temperatura, de manera que una variación en dos unidades de pH o dos grados centígrados puede llevar al desequilibrio de la población microbiana, generando olores ofensivos en el entorno, el colapso temporal del sistema y una lenta recuperación. Lagunas aireadas. Las lagunas o estanques aireados se desarrollaron a partir de los estanques de estabilización facultativos en los que instalaron aireadores de superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidas a sobrecargas orgánicas. Se distinguen los siguientes tipos de lagunas aireadas: Lagunas aireadas de mezcla completa. Mantienen la biomasa en suspensión, con una alta densidad de energía instalada (>15 W/m3). Son consideradas como un proceso incipiente de lodos activados sin separación y recirculación de lodos y la presencia de algas no es evidente. Para estas unidades es recomendable el uso de Aireadores de baja velocidad de rotación. Lagunas aireadas facultativas. Mantienen la biomasa en suspensión parcial, con una densidad de energía instalada menor que las anteriores (de 1 a 4 W/m3, recomendable 2 W/m3). Este tipo de laguna presenta signos de acumulación de lodos, observándose frecuentemente la aparición de burbujas de gas de gran tamaño en la superficie, por efecto de la digestión de lodos en el fondo. En climas cálidos y con buena insolación se observa un apreciable crecimiento de algas en la superficie de la laguna. Debe ser seguida por una laguna facultativa. Laguna facultativa con agitación mecánica. Se aplica exclusivamente a unidades sobrecargadas del tipo facultativo en climas cálidos. Tienen una baja densidad de energía instalada (del orden de 0.1 W/m3), la misma que sirve para vencer los efectos adversos de la estratificación térmica, en ausencia del viento. Las condiciones de diseño en estas unidades son las de lagunas facultativas. El uso de los aireadores puede ser intermitente. Debe ser seguida por una laguna facultativa. Lagunas de oxidación aireadas. Se emplean generalmente en climas variables. La fuente de oxígeno es principalmente la fotosíntesis y en el invierno se complementa con aireación con difusión de aire. 47 2.2.12 CELDA DE COMBUSTIBLE. La celda de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de convertir directamente en electricidad la energía contenida en un combustible. Esta obtención de electricidad, en forma de corriente continua, se lleva a cabo sin la necesidad de ningún proceso de combustión, ya que la oxidación del combustible y la reducción del comburente se producen en lugares físicos diferentes. La conversión electroquímica asegura un elevado rendimiento en el proceso de transformación energética, mayor del que se obtendría de las maquinas térmicas, ya que estas presentan la limitación impuesta por el ciclo de Carnot. Desde este punto de vista, los motores de combustión actuales podrían ser también considerados como generadores de electricidad, pero esto no sucede de forma directa, sino que se la energía contenida en el combustible debe pasar por varias transformaciones antes de convertirse en electricidad; este proceso se resume en el siguiente esquema: E. Química→ E. Térmica→ E. Mecánica→ E. Eléctrica La celda de combustible transforma directamente en electricidad la energía contenida en un combustible, mediante un proceso isotermo que aprovecha la entalpia libre interna del combustible a temperatura de operación. E. Química→ E. Eléctrica De este modo, no está afectada por las limitaciones que imponen el segundo principio de la termodinámica y el ciclo de Carnot. En la Figura 1 se pueden observar los diferentes elementos que intervienen en la reacción electroquímica, así como los componentes básicos de las estructura (electrodos, electrolito, placas bipolares y membranas difusoras). 48 Figura 1. Esquema general de funcionamiento de una celda PEM Fuente: MAYANDÍA A.A. Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Madrid 2009. p. 33. El elemento básico de una pila es una celda Electroquímica formada por dos electrodos (ánodo y cátodo), y un electrolito que los pone en contacto. En el ánodo se produce la reacción de oxidación del combustible, en la que se liberan electrones incapaces de atravesar el electrolito, por lo que se ven forzados a atravesar un circuito externo. Los iones resultantes de la oxidación se mueven a través del electrolito para llegar al cátodo, lugar en el que se produce la reacción de reducción. La sustancia oxidante se reduce, ganando los electrones obtenidos en el ánodo y se recombina con los cationes correspondientes, formando así una especie neutra16. 2.2.13 Tipo de celdas de combustible. Actualmente existen distintos tipos de celdas de combustibles, principalmente basadas en el diseño, la temperatura de operación y el tipo de combustible utilizado, además de la forma en que se produce la reacción electroquímica que les permite generara potencia, tales como: Celdas de combustible alcalinas (AFC). Este tipo de celdas han sido utilizadas por la NASA en misiones espaciales, ya que pueden generar potencia de manera fiable con una eficiencia que ronda el 70%. Su temperatura de 16 MAYANDÍA A.A. Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Madrid 2009. 49 operación es de unos 250°C, y el electrolito está compuesto de una matriz empapada de una disolución acuosa de hidróxido de potasio. Una celda alcalina típica es capaz de generar una potencia que oscila entre los 300 W y los 5 kW, y la reacción electroquímica que se produce en su interior es la siguiente: Ánodo: Cátodo: ( ) ( )( ( ( ) Global: (Ec.6) ) ( ) ( ) )( ) (Ec.7) (Ec.8) Una ventaja de las celdas alcalinas es que los materiales necesarios para su funcionamiento, tales como el propio electrolito y los catalizadores, son más baratos que en el resto de generadores electroquímicos; este tipo de dispositivo admite tanto metales preciosos como no preciosos (Níquel). Un inconveniente es que, para alimentar el dispositivo, se deben suministrar hidrogeno y oxígeno en estado puro. Las celdas AFC no toleran las pequeñas partículas carbonosas que se puedan encontrar en el oxígeno procedente de la atmosfera, ya que contaminan el electrolito de KOH. Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC). El electrolito es ácido fosfórico líquido integrado a una matriz porosa. Generan electricidad con una eficiencia del 40% y cerca del 85% si el vapor producido es empleado en cogeneración. Operan a una temperatura alrededor de 200 °C, debido a que a temperaturas menores el ácido fosfórico es un conductor iónico pobre o se produce el envenenamiento severo en el ánodo por monóxido de carbono. Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión. Se han construido plantas que generan entre 1 y 5 MW. Celdas de Combustible de óxido sólido (SOFC). La electroquímica de este tipo de celdas consiste básicamente en un electrolito solido no poroso, pero que permite la circulación de iones O2. El ánodo está compuesto de óxidos de níquel o cobalto, aleados con circonio, mientras que el cátodo está formado de estroncio dopado con óxidos de manganeso. Como puede comprobarse, la química de este tipo de celdas es más complicada que en otros tipos de generadores electroquímicos. Además, las configuraciones que adoptan los apilamientos también difieren de sus homologas. Existen tres formas principales de construir celdas de óxidos sólidos: tubular, bipolar u plana. La temperatura de funcionamiento puede llegar a alcanzar los 1000°C, con un rendimiento de entre el 60% y el 85%, posibilidad de utilización en cogeneración y potencia de salida de hasta 100 kW. 50 Celdas de combustible de metanol directo (DMFC). Este tipo de celda también utiliza una membrana conductora de protones como la celda tipo PEM Su principal diferencia es la alimentación directa de metanol a la celda de combustible. Las principales ventajas de este tipo de celda de combustible son las siguientes: El metanol como combustible es fácil de obtener y poco costoso. El metanol produce alta densidad de energía. La principal desventaja de este tipo de celda de combustible es la cinética de reacción lenta, para el caso de la oxidación del metanol, lo que resulta en una menor potencia para un mayor tamaño dado. Celda de Combustible de Membrana Polimétrica (PEM, siglas del inglés proton exchange membrane). La celda tipo PEM es una de las más sencillas conceptualmente, y en ella se alimenta el ánodo con hidrogeno gaseoso y el cátodo con oxígeno puro o presente en el aire ambiental. En la Figura 2. pueden observarse los diferentes elementos en las que se divide una Pila de Combustible PEM, pero básicamente una unidad elemental (celda), se compone de una lámina de electrolito, dos electrodos (ánodo y cátodo), catalizador, placas bipolares y capas de difusión de gases. Figura 2. Esquema de funcionamiento de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones Fuente: MAYANDÍA A.A. Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Madrid 2009. p. 40. 51 2.2.14 Membrana de Intercambio de Protones. “Electrolito”. La diferencia fundamental entre la celda PEM y el resto radica en el electrolito empleado. Se trata de una membrana polimérica de entre 75 y 150 micras que recibe el nombre comercial de Nafion®, fabricado por DupontTM, que es un derivado del Teflón cuya estructura se muestra en la Figura 3. Figura 3. Estructura química del Nafion® Fuente: MAYANDÍA A.A. Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Madrid 2009. p. 41. En general, un electrolito común es una sustancia que se disocia en iones cargados positiva y negativamente en presencia de agua, haciendo por ello que la solución acuosa sea conductora de la electricidad debido al propio movimiento de los iones. Pero no es el caso del usado aquí, ya que se trata de un electrolito no acuoso, que está inmerso en agua, y necesita ser activado para su buen funcionamiento. Las membranas de este material poseen una extraordinaria estabilidad química y térmica, y soportan la acción de numerosos agentes oxidantes o reductores, así como temperaturas relativamente elevadas. El electrolito de este material es un tanto peculiar, ya que para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo esta debe mantenerse humedecida en todo momento, de manera que el agua es absorbida por la membrana para que, debido a la estructura química del Nafion®, los iones negativos queden retenidos dentro de él, mientras que solo los iones positivos contenidos en la membrana son móviles y libres para llevar carga positiva desde el ánodo hasta el cátodo. En la mayoría de las celdas de tipo PEM estos iones positivos son iones hidrógeno o protones, de aquí la designación “Membrana de Intercambio de Protones”. Este movimiento de cargas positivas en una sola dirección dentro de la celda de combustible es esencial para su correcto funcionamiento, ya que sin este circuito formado por la celda, la conexión entre electrodos y la carga permanecería abierta y no circularía corriente alguna. 52 La membrana de electrolito polimérico es un polímero orgánico solido compuesto por acido poli – perfluorosulfonico, y en el caso del Nafion® consta de tres zonas: Una cadena principal de fluorocarbonos (Teflón ®), repetida cientos de veces. Cadenas laterales que conectan la cadena. Grupos iónicos formados por grupos sulfónicos. El Nafion es un material con alta resistencia mecánica y química, y que puede absorber grandes cantidades de agua, de manera que permite a los protones moverse dentro de el con cierto grado de libertad. Sin embargo, la conductividad iónica del Nafion® aumenta a medida que lo hace la humedad relativa, pero no así con el incremento de la temperatura, ya que este se ve incapaz de retener agua a temperaturas superiores a los 80°C. Este último es un factor determinante en el diseño de las pilas de combustible tipo PEM17. 2.2.15 Las celdas de Combustible Microbianas (MFC). Una celda de combustible microbiana (MFC, siglas del inglés, Microbial Fuel Cell) consiste básicamente en dos cámaras, una llamada anódica y otra catódica, separadas por una membrana intercambiadora de protones. Las bacterias que actúan como biocatalizadores están presentes en el compartimiento del ánodo y participan en la oxidación del sustrato (combustible) para producir electrones. El combustible que se oxida en el ánodo, resulta en electrones, protones y un producto oxidado. Los electrones generados pasan desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, donde se combinan con el oxígeno presente en el aire burbujeado, y con los protones que llegan hasta el compartimiento del cátodo a través de la membrana selectiva de protones, se genera una corriente eléctrica18. Un esquema del funcionamiento de una celda de combustible microbiana se muestra en la Figura 4. el sustrato es metabolizado por las bacterias y los electrones resultantes son transferidos al ánodo. Este proceso ocurre a través de la membrana o de un medidor redox. 17 MAYANDÍA A.A. ibíd. p. 43. RAMÍREZ, Héctor. Generación de electricidad en una celda de combustible microbiana de tipo PEM. Tesis de grado para optar el título de Ingeniero químico. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Universidad Nacional Autónoma de México. México. 2013. p. 21. 18 53 Figura 4. Funcionamiento de una celda de combustible microbiana Fuente: ÁLZATE, L. FUENTE, C. ÁLVAREZ, A. SEBASTIÁN, P. Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM. Int. Sci. Interciencia. 38: 503-509. Mexico. 2008. Las ecuaciones generales que ilustran el funcionamiento de un MFC son19: Compartimiento del ánodo: (Ec.9) Comportamiento del cátodo: (Ec.10) 2.2.15.1 Tipos de celdas de combustible microbianas con membrana de intercambio protónico. Entre las MFC con membrana de intercambio protónico (PEM, siglas del inglés proton exchange membrane) existen tres configuraciones típicas. (Ver Figura 5)20 Bioreactor desacoplado de la MFC: los microorganismos generan H2 que se emplea como combustible en una celda de combustible. Bioreactor integrado a la MFC: los microorganismos generan H2 que se convierte a electricidad en una única celda. MFC con transferencia directa de electrones: generación eléctrica microbiológica y transferencia directa al ánodo. 19 ÁLZATE, L. FUENTE, C. ÁLVAREZ, A. SEBASTIAN, P. Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM. Int. Sci. Interciencia. 38: 503-509. Mexico. 2008. 20 RABAEY, K. VERSTRAETE, W. (2005). Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generation. Trends Biotechnol. 23: 291-298. 54 Figura 5. Diferentes configuraciones en una celda de combustible microbiana tipo PEM Fuente: ÁLZATE, L. FUENTE, C. ÁLVAREZ, A. SEBASTIÁN, P. Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM. Int. Sci. Interciencia. 38: 503-509. Mexico. 2008. 2.2.16 Transporte de electrones en una MFC. El proceso de transporte de electrones es un punto importante de las celdas de combustibles microbianas, debido a que ocurren dos procesos diferentes de transporte de electrones, el primero es el que ocurre en el interior de la celda de combustible, donde son producidos los electrones a través de los metabolismos de las bacterias, y el segundo es el que ocurre en el trasporte desde el ánodo hacia el cátodo. Para el transporte de electrones del ánodo al cátodo, se debe de tener en cuenta que se necesita de un sistema eficiente de transporte de electrones para el correcto funcionamiento de la celda, generalmente se utiliza un circuito externo para hacer el flujo de electrones a través de una resistencia. El circuito externo debe estar compuesto por un conductor eléctrico con una eficiencia alta, para minimizar las perdidas por resistencia del material conductor desde el ánodo al cátodo, un esquema general del flujo de electrones se muestra en la Figura 6. 55 Figura 6. Esquema general del transporte de electrones en una celda de combustible microbiana. Reacción de Oxidación Fuente: RAMÍREZ, Héctor. Generación de electricidad en una celda de combustible microbiana de tipo PEM. Tesis de grado para optar el título de Ingeniero químico. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Universidad Nacional Autónoma de México. México. 2013. El proceso de transporte de electrones de las bacterias al ánodo, es uno de los fenómenos más complicados de interpretar en un sistema de MFC. Los electrones producidos a partir del sustrato, son oxidados por la bacterias electroactivas, y son transportados hacia el ánodo o electrodo por un mediador como medio de transporte de electrones o nanocables entre la biomasa. La teoría de transporte de electrones no se ha investigado bien. Sólo un número limitado de estudios han abordado el transporte de electrones. Dos mecanismos de transferencia de electrones se han propuesto en la literatura. En uno de los mecanismos, se considera que los electrones pueden ser transportados al electrodo por un "mediador". Ciertos productos químicos agregados al sistema pueden servir como mediadores. Por ejemplo, ferrocianuro, el hexacianoferrato de potasio, 2-hidroxi-l, 4– naftoquinona, y el rojo neutro se han utilizado como medios para transporte de electrones hacia el ánodo, los cuales pueden funcionar como anolitos acuosos. Un mediador actúa para acelerar el transporte de electrones entre las bacterias electroactivas y el electrodo, y proporciona una reacción 56 bioquímica denominada acoplamiento redox entre la enzima bioelectroactiva y el electrodo. En el otro mecanismo, los electrones se considera que pueden ser transportados al electrodo por "nanocables" que forman parte de la biopelícula y conectarán a los electrones con el electrodo. Los nanocables se supone que aceptan los electrones de las bacterias en el biofilm y transportan los electrones hacia el ánodo. Ciertas bacterias pueden transferir directamente los electrones hacia el ánodo por activos redox electroquímicos tales como citocromos en la membrana exterior de las bacterias sin ningún tipo de intermediarios en un sistema de MFC. Independientemente del mecanismo, el electrón debe ser transferido al electrodo del cátodo para generar la corriente a través del sistema de la MFC. Por lo tanto, la generación eléctrica depende principalmente de la capacidad de transporte de electrones. En la Tabla 9. se muestra registro de diferentes configuraciones en celdas microbianas de tipo PEM. Tabla 9. Comparación de parámetros de desempeño de diferentes configuraciones en celdas de combustible microbianas tipo PEM Referencia 24 2.4 Ringeisen et al. (2006) Grafito 24 3-12 Liu et al. (2004) Grafito plano Hexaciano ferrato de potasio 3600 89 Rabaey et al. (2003) Papel carbón No 286 ± 3 65 Min y Logan (2004) Papel carbón No 494 9-12 Liu y Logan (2004) Papel carbón No 40 ± 1 19 Min et al. (2005) Cultivo Lactato Shewanella oneidensis Carbón reticulado vítreo Ferrocianuro potásico Agua residual doméstica Bacterias de aguas residuales Grafito Glucosa Cultivo mixto Acetato Glucosa Acetato Bacterias de agua residual doméstica Bacterias de agua residual domestica Geobacter metallire ducens Densidad de potencia (mW/m2) Eficiencia coulombica (%) Sustrato Tipo de electrodo Mediador redox 57 Peptona Acetato Glucosa Acetato Glucosa Glucosa Heilmann y Logan (2006) Oh et al. (2004) Bacterias de ARD Papel carbón No 269 ± 1 6 Lodos activados Bacterias de agua residual Papel carbón No 0.097 63-78 Papel carbón No 262 40-55 Liu y Logan (2004) Lodos activados Grafito plano Ferrocianuro en cátodo 788 No reportó Park y Zeikus (2003) Fibra de carbón No 1430 23 Logan et al. (2007) Papel carbón No 336 y 340 60 Álzate et al (2007) Bacterias de agua residual doméstica Cultivo mixto Fuente: ÁLZATE, L. FUENTE, C. ÁLVAREZ, A. SEBASTIÁN, P. Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM. Int. Sci. Interciencia. 38: 503-509. México. 2008. También es importante mencionar que la celda de combustible en sus dos cámaras debe contener un anolito (cámara anódica) y un católico (cámara catódica), los cuales deben de ser conductores eléctricos para su correcto funcionamiento, en el caso de la cámara anódica se utiliza un medio acuoso para el crecimiento de los microorganismos, el cual debe de ser rico en nutrientes o aportar los nutrientes necesarios para el crecimiento de las bacterias a utilizar, y estas puedan generar corriente eléctrica a través de sus metabolismos. En la cámara catódica se puede utilizar agua como católico acuoso, la función de utilizar agua es burbujearla con oxígeno para oxidarlo y combinarlo con los protones que provienen de la cámara anódica. También se pueden utilizar mediadores redox como los anteriormente mencionados21. 2.2.17 FUNDAMENTOS TERMODINÁMICOS Y ELECTROQUÍMICOS EN UNA MFC. Una celda PEM transforma la energía contenida en el interior de un combustible directamente en electricidad. La energía intrínseca total de un combustible (o de cualquier otra sustancia), se puede cuantificar mediante una propiedad conocida con el nombre de Energía Interna (U). Dicha energía está asociada a los movimientos e interacciones de las partículas de un compuesto, a escala molecular. 21 RAMÍREZ, Op. cit., p. 26 58 Existen dos formas de transferir energía desde un sistema cerrado hasta su entorno: mediante Calor (Q), o Trabajo (W), lo cual permite deducir, de forma general, la Primera Ley de la Termodinámica: (Ec.11) La ecuación (11) establece que cualquier cambio que se produzca en la energía interna de un sistema cerrado (dU), debe ser igual al calor transferido por el sistema al entorno (dQ), menos el trabajo realizado por este (dW); si se elige el sistema de referencia adecuado, todos los cambios energéticos del sistema, se manifiestan en cambios de energía interna. Si se considera que el único trabajo realizado por el sistema es de tipo mecánico, entran en juego los términos de presión y volumen (expansión de un pistón dentro de un cilindro): ( ) (Ec.12) Dónde: P es la presión del sistema. dV es la variación de volumen del sistema. Sin embargo, el único trabajo que realiza una celda de combustible es de tipo eléctrico. Pero por ahora se considerara simplemente el trabajo mecánico para reescribir la ecuación (13) de la energía interna: (Ec.13) ( ) 2.2.17.1 Potencial de una celda de combustible. Como anteriormente se ha mencionado el mayor logro de una celda de Combustible es el hecho de extraer la energía contenida en un combustible, y transformarla directamente en electricidad. Para un proceso a presión constante, esta cantidad de energía va a depender de la entalpia de reacción del combustible utilizado. Si dicha entalpia se expresa en función de la Energía Interna antes mencionada, se obtiene la siguiente ecuación: (Ec.14) De acuerdo con la ecuación (14), se puede deducir que el calor desarrollado en una reacción se debe a cambios en la energía interna del sistema, la cual se produce por cambios y reconfiguraciones de los distintos enlaces químicos que lo componen. El calor o entalpia de una reacción química es la diferencia entre los calores de formación de los productos y los reactantes. 59 De acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, en toda reacción química se produce cierta cantidad de entropía (S, grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo, o bien el grado de irreversibilidad alcanzada después de finalizar un proceso que implique transformación de energía), lo que provoca que una parte del poder calorífico del combustible no se pueda transformar en electricidad; Por lo tanto en los procesos de conversión de energía, siempre existen cierta perdidas irreversibles debido a la entropía (∆S)22. La porción de energía contenida en un combustible que se puede transformar en electricidad, viene determinada por la ecuación (15) de la Energía Libre de Gibbs, expresadas en unidades de Joule (J): ( ) (Ec.15) Donde (J) es la energía libre de Gibbs para las condiciones específicas, (J) es la energía libre de Gibbs en condiciones estándar definida usualmente como 298.15 K, 1 bar de presión y 1 M concentración para todas las especies, R (8.31447 J/mol K) es la constante universal de los gases, T (K) es la temperatura absoluta y (sin unidades) es el cociente de reacción calculado como las actividades de los productos dividido por la de los reactivos elevados a sus correspondientes coeficientes estequiométricos. La reacción estándar de la energía libre de Gibbs se calcula a partir de energías de formación de compuestos orgánicos en agua tabulados23. Además de determinar la cantidad de trabajo útil que se puede extraer en una reacción, la Energía Libre de Gibbs permite también determinar la espontaneidad de dicho proceso. Si ∆G es cero, no se puede extraer trabajo; si esta variación de energía se hace positiva, se debe invertir energía en el proceso; y si es negativo, se puede hablar de una reacción energéticamente favorable. Para los cálculos en la celda de combustible microbiana, es conveniente evaluar la reacción en términos de la fuerza electromotriz de la celda (fem), E fem, definido como la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo; el trabajo eléctrico, W (J) producido por la celda puede definirse como el producto de la carga, Q por el potencial: (Ec.16) Dónde es la carga eléctrica transferida por la reacción en Coulomb (C), que es determinado por el número de electrones transferidos en la reacción, es 22 MAYANDÍA A.A. Op. cit., p. 69 LOGAN, B. HAMELERS, B. ROZENDAL, R. SCHRODER, U. KELLER, J. FREGUIA, S. AELTERMAN, P. VERSTRAETE, W. RABAEY, K. (2006). Microbial Fuel Cell: Methodology and technology. Env. Sci. Technol. 40(17):5181-5192. 23 60 el número de electrones por mol de reacción y es la Constante de Faraday ⁄ (( ). El hecho de que la constante de Faraday sea un número tan grande, supone que se puede obtener una cantidad relativamente elevada de electricidad a partir de una pequeña reacción química, lo que convierte a las celdas de combustible en dispositivos tecnológicamente factibles.24 Por lo tanto, la expresión del trabajo eléctrico queda como sigue: (Ec.17) Se sabe que la máxima cantidad de energía eléctrica que se puede obtener de una celda de combustible viene dada por la ecuación de la Energía Libre de Gibbs: (Ec.18) Por tanto combinando estas dos ecuaciones (17) y (18). Se obtiene el potencial eléctrico de una celda de combustible: (Ec.19) Si todas las reacciones se evalúan en condiciones estándar, , se tiene que: (Ec.20) Donde ( ) es la fuerza electromotriz estándar de la celda. Por lo tanto se pueden usar las ecuaciones anteriores para expresar la reacción global en términos del potencial como25: ( ) (Ec.21) 2.2.17.2 Potenciales de electrodo estándar. Las reacciones que ocurren en una MFC pueden ser analizadas de forma separadas las cuales son producidas en el ánodo y el cátodo. Cuando se trabaja en condiciones distintas de la estándar, existe una ecuación que permite calcular el potencial teórico Et para una reacción electroquímica. Dicha expresión recibe el nombre de Ecuación de Nernst. Considerando la ecuación química general: 24 O´HAYRE, R., CHA, S.W., COLELLA, W., PRINZ, F.B. “Fuel Cell Fundamentals”. John Wiley and Sons. 2006. [En línea] [Disponible en: http://ebookbrowsee.net/fuel-cell-fundamental-pdf-d457561847] Consultado 09 de enero de 2014. 25 LOGAN, B. ibíd. p. 5 61 Se deduce la Ecuación de Nernst: * + (Ec.22) Dónde: E es el potencial máximo de la celda (V). Para obtener el potencial teórico del ánodo , bajo condiciones específicas, se utiliza la ecuación (22), con las actividades de las diferentes especies asumidas igual a sus concentraciones. Por ejemplo en la oxidación del acetato mediante bacterias en el ánodo la reacción ocurrida es la siguiente: (Ec.23) Por lo tanto se tiene: ( ) (Ec.24) Para el potencial teórico del cátodo , si se considera el caso donde se usa el oxígeno como el aceptor de electrones para la reacción: (Ec.25) ( ) (Ec.26) Y la fuerza electromotriz (fem) de la celda es calculado como: (Ec.27) La ecuación (27) demuestra que usando el mismo ánodo en un sistema con condiciones diferentes del cátodo, se produce voltajes significativamente diferentes en la celda, por lo tanto diferentes niveles de potencia de salida26. 2.2.17.3 Voltaje de circuito abierto (OCV). El fem de la celda es un valor termodinámico que no tiene en cuenta las perdidas internas. El voltaje de circuito abierto (OCV, siglas del inglés, Open circuit voltaje) es el voltaje de la celda que puede medirse después de algún tiempo en ausencia de corriente. Teóricamente, 26 LOGAN, B.(2006).Op cit. p. 5 62 el valor del OCV debería acercarse al valor de la fem, sin embargo la OCV es sustancialmente menos que la fem de la celda, esto es debido a las diversas pérdidas de potenciales. 2.2.17.4 Factores que afectan el voltaje de la celda. La Figura 7 muestra el comportamiento de una celda tipo PEM. Este tipo de graficas reciben el nombre de Curvas de Polarización, y aunque todas siguen un mismo patrón, son diferentes para cada celda. Los puntos clave que describen este comportamiento son los siguientes: A circuito abierto, la tensión es menor que la esperada teóricamente. Se produce una rápida caída de tensión al comienzo de su funcionamiento. Una vez estabilizada, la tensión va cayendo lentamente y de forma lineal. Cuando se demanda gran cantidad de corriente, la tensión cae abruptamente. Figura 7. Curva de Polarización de una celda de combustible de membrana de Intercambio de Protones Fuente: MAYANDÍA A.A. Descripción y modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Proyecto fin de carrera. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Madrid 2009. p. 76. La curva de polarización tiene tres regiones bien diferenciadas directamente relacionadas con los puntos anteriores: Región I: la tensión a circuito abierto es menor que la ideal, y se produce además una caída brusca de la tensión en cuanto empieza a suministrarse 63 corriente. Este comportamiento es típico de las celdas de baja temperatura tipo PEM, siendo este descenso mucho menos pronunciado en las celdas de alta temperatura. Los aspectos que determinan la forma de esta región son las perdidas por activación y un fenómeno denominado Crossover, “Perdidas por efecto Crossover”. Región II: la caída de tensión se puede considerar lineal, lo que sugiere que predominan las pérdidas resistivas u óhmicas. Región III: aquí se observa cómo se produce un nuevo descenso brusco de la tensión, debido fundamentalmente a perdidas por el transporte de masas. Los factores que afectan de manera significativa la tensión de la salida de las celdas de combustible, suelen denominarse polarizaciones o sobretensiones, y son fundamentalmente los siguientes27: Polarización de Activación ( Polarización Óhmica o resistiva ( Polarización de Concentración o Transporte de Masa ( ) ) ) Como se mencionó anteriormente en las MFCs el voltaje medido en la celda generalmente es una función lineal de la corriente y se puede describir como: (Ec.28) Donde es la suma de todas las pérdidas internas de la MFC, que son proporcional a la corriente generada ( ) y a la resistencia interna del sistema ( ). Pérdidas Óhmicas. Las pérdidas óhmicas (o Polarización Óhmica) en una MFC influyen tanto la resistencia al flujo de electrones a través de los electrodos e interconexiones, y la resistencia al flujo de iones a través de la PEM y los electrolitos catódicos y anódicos. Las pérdidas Óhmicas pueden reducirse minimizando el espaciamiento entre los electrodos, usando una membrana con baja resistividad, revisando minuciosamente todos los contactos, y (si es posible) el aumentar la conductividad de la solución al máximo tolerado por las bacterias. Pérdidas de Activación. Para que se lleve a cabo la reacción electroquímica, es necesario que exista una cierta diferencia de tensión desde el equilibrio. Esta diferencia es la Polarización de Activación que está directamente relacionada con la lentitud de las reacciones electroquímicas que tienen lugar en los electrodos, ligada, a su vez, con la barrera de potencial que tienen que superar todas las reacciones químicas para iniciarse. Cuanto mayor sea la densidad de corriente, 27 MAYANDÍA A.A. Op cit. p. 76. 64 menores serán las perdidas por activación. Las perdidas bajas de activación pueden ser logradas mediante el aumento de la superficie del electrodo, mejorando la catálisis del electrodo, aumentado la temperatura de funcionamiento y mediante el establecimiento de un biofilm enriquecido en el o los electrodos. Pérdidas por Metabólicas Bacterianas. Para generar energía metabólica, las bacterias transportan electrones de un sustrato de bajo potencial a través de la cadena de transporte de electrones para el aceptor de electrones final a un potencial más alto. En una MFC, el ánodo es el aceptor de electrones final y su potencial determina la ganancia de energía para las bacterias. Cuanto mayor sea la diferencia entre el potencial redox y el potencial del ánodo, es mayor la posibilidad de ganancia de energía metabólica por las bacterias, pero más baja es la tensión máxima alcanzable en la MFC. Pérdidas por Concentración. Para producir potencia en una celda de combustible tiene que alimentarse continuamente con reactantes y a su vez se debe eliminar los productos resultantes de las reacciones químicas ocurridas en el interior del sistema. Este proceso de suministro de reactante y eliminación de productos se conoce con el nombre de transporte de masa. Por tanto este proceso lleva asociada pérdidas por Transporte de masa, conocidas además como Pérdidas por Concentración. Las Pérdidas por Transporte de Masa o Pérdidas por Concentración se pueden definir como aquellas que están asociadas a la incapacidad de la celda de Combustible para suministrar la potencia necesaria a una carga, todo ello relacionado con posibles fallos en los sistemas de suministro de combustible y oxidante. La generación de potencia depende de la concentración de los reactantes en la capa de catalizador de los electrodos, y no de su concentración en la entrada de alimentación, de manera que tanto un defecto en la alimentación como un exceso en los productos resultantes, pueden resultar perjudiciales para el funcionamiento del generador electroquímico. Las pérdidas por transporte de masa se pueden optimizar mediante la variación en la concentración y en la presión de suministro de los reactantes, modificando las superficies de contacto catalizadas y las estructuras de flujo que tienen que atravesar los gases para llegar al catalizador. Cabe señalar que el transporte de masa de las diferentes especies químicas se efectúa de distinta manera en los electrodos y en los canales de flujo y depende del tamaño de las superficies que intervienen en las distintas reacciones electroquímicas. De esta manera, el flujo de gases reactantes a escala macroscópica se basa en el transporte por Convección, mientras que a escala microscópica domina la difusión. 65 Para un sistema binario de dos gases reactantes, el Coeficiente de Difusión Binaria tiene una fuerte dependencia de la temperatura, de la presión y del peso molecular de cada uno de los gases reactantes. La difusividad nominal se puede calcular mediante la siguiente ecuación28: ( √ ) ( ) ⁄ ( ) ⁄ ( ) ⁄ (Ec.29) Dónde: es la presión total (atm). es el coeficiente de difusión binaria (cm2/s). T es la temperatura (K). Mi y Mj son los pesos moleculares de las distintas especies (g/mol). Tci, Tcj, pci y pcj son las temperaturas (K) y presiones críticas (Pa) para las distintas especies. a=2.745x10-4 (constante). b=1.823 (constante). Cuando se tiene estructuras porosas dificulta el flujo continuo de los gases reactantes, por lo que se utiliza un parámetro relacionado con la difusividad nominal llamado difusividad efectiva: (Ec.30) Donde es la porosidad de la estructura: La cual representa la relación de espacio vacío respecto al total del volumen de una estructura. Normalmente, los electrodos de una celda de combustible tienen una porosidad que ronda el 40%. Las variaciones en la presión de suministro del combustible y del oxidante influyen en el comportamiento de la celda. El potencial varía con las presiones parciales de cada uno de los gases reactantes así: ( ) (Ec.31) Dónde: 28 CB es la concentración total del reactante (mol/cm3). Cs es la concentración del reactante en la superficie del electrodo catalizado (mol/cm3). O´HAYRE, R. et al. Op. cit. p.63. 66 El flujo de reactantes en los canales de flujo es proporcional a su gradiente de concentración: ( ) (Ec.32) Dónde: N es el flujo total de reactantes (mol/s). D es el coeficiente de difusión de las especies reactantes (cm 2/s). A es el área activa del electrodo (cm). es la distancia de difusión (cm). De acuerdo con la Ley de Faraday, el consumo de los reactantes viene dado por: (Ec.33) Combinando los dos ecuaciones anteriores, se obtiene la expresión que cuantifica la dependencia de las pérdidas por concentración de la corriente demandad en la celda de combustible. ( ) (Ec.34) Por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad de corriente demandada, menor será la concentración de los reactantes en la superficie del catalizador. La densidad de corriente a la que se produce este fenómeno de tendencia a cero se denomina Densidad de Corriente Limite, de manera que cuando se alcanza este valor, una celda de combustible no puede producir más corriente simplemente porque no hay reactantes en las superficies catalizadas. La expresión para las pérdidas de tensión debidas a la polarización por concentración es: ( ) (Ec.35) La ecuación (35) es responsable de la zona III de la curva de polarización de una pila de combustible, que representa una caída brusca de la tensión de celda cuando se demanda mucha densidad de corriente29. La cantidad de energía (Joules) obtenida a partir de un proceso electroquímico puede calcularse en función de la salida de potencia y de la duración del proceso como: 29 MAYANDÍA A.A. Op cit. p. 102 67 (Ec.36) Donde P (vatios) es la potencia y t (s) es el tiempo. La potencia depende tanto de la tensión (V) como de la corriente (I)30: (Ec.37) Estos factores de corriente y potencia están vinculados a la resistencia que presenta la celda de combustible por la Ley de Ohm. La corriente (I) en amperios como: (Ec.38) Dónde: V es el voltaje (voltios), Q es la carga (Coulombs) t es el tiempo (segundos) 2.2.17.5 Curvas de Polarización. Las Curvas de Polarización representan una potente herramienta para el análisis y caracterización de celdas de combustible. Una curva de polarización representa el voltaje (tensión) en función de la corriente (densidad). Las Curvas de Polarización pueden ser registradas para el ánodo, el cátodo, o para todo el MFC usando un potenciostato. 2.2.17.6 Curvas de Potencia. Una curva de potencia que describe el poder (o densidad de potencia) como función de la corriente (o la densidad de corriente) se calcula a partir de la curva de polarización. En la Figura 8b (línea sólida) se muestra una típica curva de potencia basada en la curva de polarización reportada previamente (Figura 8a) como no hay flujo de corriente para las condiciones de circuito abierto, no se produce energía. Desde este punto en adelante, la potencia aumenta con la corriente a un punto de máxima potencia, MPP (14,6 mW, Figura 8b) mas allá de este punto, la potencia disminuye debido a las crecientes pérdidas óhmicas y sobretensiones del electrodo hasta el punto donde no se produce más potencia (condiciones de corto circuito) En muchas MFCs la resistencia óhmica juega un papel dominante en la definición del punto de potencia máxima alcanzable (siglas en inglés, MPP), parcialmente debido a la baja conductividad iónica de las soluciones del sustrato, pero por lo general a un grado bajo de optimización en el diseño de la celda de combustible31. 30 31 RABAEY, K. (2005). Op cit. p.3. LOGAN, B.(2006).Op cit. p. 8. 68 Figura 8. Curvas de Polarización (a) y Potencia (b) de una celda de combustible microbiana de almidón Fuente: LOGAN, B. HAMELERS, B. ROZENDAL, R. SCHRODER, U. KELLER, J. FREGUIA, S. AELTERMAN, P. VERSTRAETE, W. RABAEY, K. (2006). Microbial Fuel Cell: Methodology and technology. Env. Sci. Technol. 40(17):5181-5192. 2.2.18 Eficiencia del proceso de tratamiento de aguas residuales usando celdas de combustible microbiana. Las celdas de combustible microbiana, MFC se han propuesto como un método para tratar las aguas residuales, y por lo tanto es importante evaluar el desempeño global en términos de demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO), o la remoción de carbono orgánico total (COT). Para evaluar el rendimiento de la celda es común centrarse en la eliminación de la demanda química de oxigeno (DQO), tal parámetro como se ha mencionado anteriormente es fundamental en la eficiencia del tratamiento de aguas residuales, y además la remoción del DQO es necesaria para los cálculos de la eficiencia Coulombica y la energía. La eficiencia de remoción del DQO, denotada como ( ) puede ser calculada como el cociente entre el DQO eliminado y el afluente. Este parámetro mide cuanto del combustible disponible se ha convertido en la MFC, ya sea en corriente eléctrica (a través de la eficiencia Coulumbica) o biomasa (a través de la producción de crecimiento) o a través de reacciones competitivas con receptores de electrones alternativos (por ejemplo, oxigeno, nitrato y sulfato). 69 2.2.18.1 Eficiencia Coulombica. La eficiencia Coulombica, , es definida como la relación entre el total de Culombios que son transferidos al ánodo desde el sustrato, al máximo Culombios posibles si todo el sustrato consumido produce corriente eléctrica. El total de Culombios obtenidos es determinado por la integración de la corriente en el tiempo, de modo que la eficiencia Culombica para una MFC es calculada en modo batch, la , evaluada en un periodo de tiempo , se calcula como: ∫ (Ec.39) Donde , es el peso molecular de oxígeno, es la constante de Faraday, es el número de electrones producidos por mol de oxígeno, es el volumen del líquido en el compartimiento del ánodo, y es el cambio en la DQO con el tiempo . Para el flujo continuo a tevés del sistema, se calcula la eficiencia culombica en base a la corriente generada en condiciones estables como: (Ec.40) Donde es la tasa de flujo volumétrico y influente y el efluente32. es la diferencia del DQO del 2.2.19 Inóculos utilizados en las celdas de combustibles microbianas. Los análisis de las comunidades microbianas asociadas a los ánodos de las MFC muestran una gran diversidad de géneros bacterianos dependiendo de la naturaleza del inóculo, del combustible y del tipo de MFC utilizada. Uno del grupo de microorganismos que se ha mostrado como muy eficaz en la transferencia de electrones a una MFC es el de la deltaproteobacterias, y en concreto el género Shewanella oneidensis33. 2.3 MARCO LEGAL Ley 99 del 22 de diciembre de 1993, por la cual se crea El Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el sector público encargado de la gestión y conservación del Medio Ambiente y Los Recursos Naturales Renovables, se organiza el sistema Nacional Ambiental (SINA) y se dictan otras disposiciones. El decreto 1753 de 1994, Por el cual se reglamentan parcialmente los títulos Vlll y Xll de la ley 99 de 1993 sobre Licencias Ambientales. 32 33 LOGAN, B.(2006).Op cit. p. 8 PISTONESI, Op. Cit. p. 19 70 El decreto 1594 de 1984, establece Normas de Vertimiento y Tramites Ambientales aplicables en todo el Territorio Nacional y que deben ser cumplidas por cualquier usuario, entendiéndose por este a toda persona natural o jurídica de derecho público o privado que utilice el agua y cuya cantidad cause o pueda causar deterioro directo o indirecto de un cuerpo de agua. Es importante establecer inicialmente la definición de Vertimiento Liquido que es cualquier descarga liquida hecha a un cuerpo de agua o a un alcantarillado, producto de actividades industriales, agropecuarias, mineras o domésticas. En el artículo 20 del decreto 1594 de 1984, se reglamentó parcialmente lo relacionado con los usos del agua y los residuos líquidos. Este decreto establece límites permisibles para las descargas de aguas residuales, basados en la remoción en porcentaje de carga de contaminantes como DBO 5, DQO, SST, grasas y aceites, pH, temperatura, oxígeno disuelto, caudal y coliformes. Según el artículo 72 del decreto 1594/84, todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas: Tabla 10. Normas para todo vertimiento a un cuerpo de agua REFERENCIA USUARIO NUEVO (después del decreto 1594/84) pH 5 a 9 unidades Temperatura 40°C Material Flotante Ausente Grasas y Aceites Remoción > 80% en carga Solidos Suspendidos Remoción > 80% en carga DBO5 para desechos domésticos Remoción > 80% en carga DBO5 para desechos industriales Remoción > 80% en carga Fuente: Ministerio de Ambiente y desarrollo sostenible [Disponible http://www.minambiente.gov.co/juridica/Sector%20Ambiente/Decreto%20Agua/Dec_15941984.pdf] Consultado el: 18 de mayo 2013 en: 2.4 MARCO CONCEPTUAL AFLUENTE: agua residual u otro líquido que ingrese a un reservorio, o algún proceso de tratamiento. AGUAS CRUDAS: aguas residuales que no han sido tratadas AGUAS RESIDUALES: es la combinación de residuos líquidos, o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de residencias como de instituciones 71 públicas y establecimientos industriales y comerciales, a los que pueden agregarse, eventualmente aguas subterráneas, superficiales y pluviales. AGUAS RESIDUAL DOMESTICAS: es las procedentes de zonas residenciales o instalaciones comerciales, públicas o comerciarles. AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL: agua residual en la que predomina vertidos industriales. BACTERIAS: grupo de organismos microscópicos unicelulares, rígidos carentes de clorofila, que desempeñan una serie de procesos de tratamiento que incluyen oxidación biológica, fermentaciones, etc. CHONS: es un acrónimo nemotécnico para los cinco elementos más comunes en los organismos vivos: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre. CLARIFICADOR: tanque de sedimentación rectangular o circular usado para remover sólidos sedimentables del agua residual. CONTAMINACIÓN DEL AGUA: es la polución de esta que produce o puede producir enfermedades y la muerte al consumidor. CRITERIOS DE DISEÑO 1.Normas o guías de ingeniería que especifican objetivos, resultados o límites que deben cumplirse en el diseño de un proceso, estructura o componente de un sistema. 2.Guías que especifican detalles de construcción y materiales. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO): cantidad de oxigeno usado en la estabilización de la materia orgánica carbonacea y nitrogenada por acción de lo0s microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especificados (generalmente cinco días y 20°C). Mide indirectamente el contenido de materia orgánica biodegradable. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO5 (DBO5): demanda bioquímica de oxígeno a cinco días. DEMANDA QUÍMICA DE OXIGENO (DQO): medida de la cantidad de oxigeno requerido para oxidación química de la materia orgánica del agua residual, usando como oxidantes sales inorgánicas de permanganato o dicromato en un ambiente ácido y a altas temperaturas. EFICIENCIA DE TRATAMIENTO relación entre la masa o concentración removida y la masa o concentración en el afluente, para un proceso o planta de tratamiento y un parámetro específico; normalmente se expresa en porcentaje. EFLUENTE: es el material que sale de una unidad o planta de tratamiento. 72 LODOS ACTIVADOS: proceso de tratamiento biológico de aguas residuales en ambiente químico aerobio, donde las aguas residuales son aireadas en un tanque que contiene una alta concentración de microorganismos degradables. MATERIA ORGÁNICA: es una combinación de carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno (CHON) principalmente; con las proteínas (40-60%), carbohidratos (2550%) y7 las grasas y aceites (10%) como grupos más importantes. OXIGENO DISUELTO (OD): gas de baja solubilidad en el agua requerido para la vida acuática aerobia. PH: es la medida de la concentración de ion hidrogeno en el agua, expresada como el logaritmo negativo de la concentración molar de un hidrogeno en agua residual. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL: conjunto de obras, instalaciones y procesos para tratar las aguas residuales. POLUCIÓN: su significado es muy general e implica el ensuciamiento (Deterioro) del agua por cloacas o por otros líquidos o suspensiones, haciéndola desagradable a la vista y al olfato y que de ninguna manera son satisfactorias para usos potables, culinarios o industriales. POLUCIÓN DEL AGUA: es la alteración de sus características físicas, químicas o bacteriológicas como resultado de las actividades humanas o procesos naturales. SS: solidos suspendidos. SST: Sólidos Suspendidos Totales, son sólidos constituidos por sólidos sedimentables, sólidos y materia orgánica en suspensión y/o coloidal, que son retenidos en el medio filtrante. SSV: Sólidos Suspendidos Volátiles, es la cantidad de materia orgánica capaz de volatilizarse por el efecto de la calcinación a 550°C en un tiempo de 15 – 20min. 73 3. MARCO METODOLÓGICO 3.1 TIPO DE INVESTIGACION Dada la naturaleza y carácter del proyecto, este se ubica en el tipo de investigación explicativa - proyectiva, ya que durante el desarrollo del mismo se muestra los aspectos que hacen parte del tratamiento de las aguas residuales domésticas, así como los conceptos teóricos científicos que abarcan la explicación del funcionamiento de las Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM; aplicándolos a una realidad concreta mediante su integración para la generación de energía eléctrica y permitiendo por medio de resultados de estudios anteriores la simulación del proceso diseñado, comprobando de esta forma lo expuesto en la hipótesis. 3.2 TIPO DE DISEÑO Este proyecto está enmarcado en el tipo de diseño teórico y experimental porque a partir de los fundamentos bibliográficos de las Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM, así como los datos recolectados y analizados de otras investigaciones publicadas en revistas como artículos científicos se realizó el diseño preliminar y la simulación de un proceso de tratamiento de aguas residuales domesticas que genere simultáneamente energía eléctrica por la utilización de Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM; prediciendo e identificando las relaciones que existe entre las variables de proceso, con el fin de extraer conclusiones significativas que ayuden a comprender el funcionamiento de las Celdas de Combustible Microbiana tipo PEM. Introduciendo determinadas variables de estudio en condiciones controladas, con la finalidad de observar su incidencia en el diseño y la simulación del proyecto. 3.3 ENFOQUE ADOPTADO El enfoque adoptado por este proyecto es cuantitativo, ya que se pudo apreciar numéricamente los efectos de las diferentes variables de entrada sobre las variables de salida en los procesos tanto de tratamiento de las aguas residuales como el de generación electricidad desde el mismo programa de simulación Aspen Plus®. 3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA POBLACIÓN. El desarrollo de este proyecto se llevó a cabo en la Universidad de San Buenaventura - Seccional Cartagena. MUESTRA. La muestra de agua residual doméstica estudiada se le realizaron pruebas para determinar: el contenido de sólidos y sales disueltas, el porcentaje 74 de sólidos sedimentables, el contenido de grasas y aceites, el grado de acidez y alcalinidad, la cantidad de oxígeno disuelto, el grado de dureza, la demanda química y biología de oxígeno, presencia de coliformes, entre otras, y adicional dichas pruebas clasificarán el tipo de agua residual a tratar, y permitirán saber el grado de contaminación del agua, el tipo de materia organiza presente en ella, entre otras aspectos fundamentales en este proyecto, esto ayudara a saber qué tipo de fuente de agua residual utilizar, el diseño de proceso, su posterior modelamiento y finalmente su simulación. 3.5 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN 3.5.1 Fuentes primarias: Como fuente de información primaria se utilizaron los conocimientos adquiridos en los cursos de Energías Alternativas, Tecnología Ambiental, Física Eléctrica, Termodinámica de Soluciones y Control y Simulación de Procesos recibidos en el transcurso de la carrera. Además de los conocimientos aportados por el tutor facilitado por la facultad. Asimismo la información recolectada en las oficinas de la Universidad. 3.5.2 Fuentes secundarias: Para la obtención de información adicional necesaria en el desarrollo de este proyecto se optó por Textos, Artículos Científicos de base de datos electrónicas como (Science Direct, Redalyc, Scielo, Virtual Pro, Ambientalex.info), Revistas Científicas y Tesis de Grado suministradas por la Biblioteca Central Fray Antonio De Marchena O.F.M de la Universidad San Buenaventura Cartagena, además de fuentes de Internet, Manual de Simulación de Procesos en Aspen Plus®, Normas y Leyes, Reglamentos técnicos de tratamiento de aguas residuales, entre otras, todas posteriormente citadas y referenciadas. 3.6 HIPÓTESIS Hi: El diseño de un proceso de tratamiento de aguas residuales domesticas usando celdas de combustible microbiana busca obtener información necesaria para simular mediante el programa Aspen Plus® la generación de energía eléctrica derivada del proceso de oxidación y reducción que realizan cierto tipo de bacterias sobre la materia orgánica contenida en el agua residual y de esta manera aportar una herramienta útil para la aplicación de conocimientos adquiridos y el desarrollo de nuevas investigaciones. Ho: El diseño de un proceso de tratamiento de aguas residuales domesticas usando celdas de combustible microbiana no busca obtener información necesaria para simular mediante el programa Aspen Plus® la generación de energía eléctrica derivada del proceso de oxidación y reducción que realizan cierto tipo de bacterias sobre la materia orgánica contenida en el agua residual y de esta manera no aportara una herramienta útil para la aplicación de conocimientos adquiridos y el desarrollo de nuevas investigaciones. 75 3.7 VARIABLES Carga orgánica Solidos suspendidos totales DQO DBO Carbono orgánico total Densidad de potencia Corriente eléctrica Voltaje Cantidad de bacterias Temperatura pH Cantidad de oxígeno disuelto 3.8 OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES DIMENSIONES VARIABLES INDICADORES Carga orgánica ML-3 t kg/m3dia Solidos suspendidos totales ML-1 mg/l Demanda Química de Oxígeno (DQO) Concentración mgO2/l Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) Concentración mgO2/l Carbono orgánico total - - Densidad de potencia Vatios W Densidad de potencia Amperio A Voltio V M mg Voltaje Cantidad de microorganismos Temperatura °C Grado de acidez y alcalinidad pH Adimensional Cantidad de oxígeno disuelto Concentración ppm 76 3.9 PROCESAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN El procesamiento de la información se llevó a cabo haciendo uso del programa de simulación de procesos químicos Aspen Plus®. El programa de simulación tiene la capacidad de evaluar numéricamente modelos para condiciones específicas, realizar diagramas de flujo, estimación de propiedades de compuestos, análisis de sensibilidad de variables de proceso, especificaciones de diseño de procesos, síntesis y análisis de procesos químicos. Además, este simulador de procesos resuelve las variables desconocidas a partir de las conocidas o parámetros de diseño deseado. La ruta para llegar a la solución de este proyecto es la siguiente: Establecimiento de la totalidad de equipos que conforman la planta de tratamiento de aguas residuales, y la adición de la celda de combustible microbiana tipo PEM. Introducir los datos cuantitativos al programa de simulación Aspen Plus. Determinar diferentes rangos operativos de las variables independientes del proceso. Correr el programa Aspen Plus y ver los comportamientos de las variables de salida a partir de diferentes valores cuantitativos de las variables de entrada. Hacer entrega de una simulación con fines didácticos para la Universidad de San Buenaventura o para cualquier industria que la solicite por intermedio de la Universidad. De la misma manera entregar de un plano general de la planta diseñada. Finalmente, la información se organizó en tabla y figuras. 77 4. RESULTADOS 4.1 POBLACIÓN CARTAGENA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA La comunidad de la Universidad está integrada por 2832 usuarios que corresponden a 2409 estudiantes, 423 docentes y empleados administrativos, de acuerdo con datos de la Unidad de Soporte Tecnológico, para el primer periodo del año 2014 (Ver Tabla 11). Los estudiantes constituyen una parte fundamental de la comunidad, como se observa en la Figura 9, alcanzando a representar el 92% de la totalidad. Tabla 11. Población de la Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena año 2014-1 POBLACIÓN Estudiantes 2409 Docentes y Administrativos de planta 423 Total 2832 Fuente: Unidad de soporte tecnológico Universidad de San Buenaventura Cartagena. Figura 9. Representación gráfica de la población Población USBCTG Docentes y Administrativos 8% Estudiantes 92% Fuente: Unidad de soporte tecnológico Universidad de San Buenaventura Cartagena Estudiantes. En cuanto a la población estudiantil, la Universidad para el primer semestre académico del 2014 presenta 2409 estudiantes, de los cuales 2188 78 corresponden a los programas de pregrado alcanzando casi el 91% del total de población estudiantil, mientras postgrado con sus 221 estudiantes constituye tan solo el 9%. (Ver Tabla 12) Tabla 12. Población Estudiantil de la Universidad de San Buenaventura Cartagena 2014-1 POBLACIÓN ESTUDIANTIL Número de estudiantes Número de programas académicos Pregrado 2188 12 Posgrado 221 12 Total 2409 24 Fuente: Unidad de soporte tecnológico Universidad de San Buenaventura Cartagena. Histórico de la población Tabla 13. Población estudiantil en los últimos tres periodos académicos POBLACIÓN AÑO Y PERIODO ACADÉMICO 2013-1 2013-2 2014-1 Estudiantes Pregrado 2623 2511 2188 Posgrado 681 740 221 Docentes y 433 435 423 administrativos Total 3737 3686 2832 Fuente: Unidad de soporte tecnológico Universidad de San Buenaventura Cartagena. Determinación del nivel de complejidad del sistema Para todo el territorio nacional se establecen niveles de complejidad que dependen del número de habitantes en la zona urbana del municipio, su capacidad económica y el grado de exigencia técnica del proyecto 34. Para este proyecto en particular se tendrá en cuenta la población de la Universidad (Estudiantes, Docentes, administrativos). Tabla 14. Asignación del nivel de complejidad Nivel de Complejidad Población en la zona Capacidad económica de urbana (habitantes) los usuarios Bajo <2500 Baja Medio 2051 a 12500 Baja Medio Alto 12501 a 60000 Media Alto >60000 Alta Fuente: RAS-2000 Título A. 34 Ministerio de Desarrollo Económico. Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico –Titulo A. RAS-2000.República de Colombia. Bogotá. 2000. 79 Para el diseño de proceso de tratamiento de aguas residuales proyectada a la Universidad se tomara como base el primer periodo del año 2014 con una población de 2832 usuarios. Se le asignara el nivel de complejidad según la Tabla 14 como MEDIO. Dotación neta: Corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante, depende del nivel de complejidad del sistema, el clima de la localidad y del tamaño de la población. Tabla 15. Dotación neta según el nivel de complejidad del sistema Nivel de complejidad del Dotación neta mínima Dotación neta máxima sistema (L/hab-día) (L/hab-día) Bajo 100 150 Medio 120 175 Medio alto 130 Alto 150 Fuente: RAS-2000 Título B. Para un nivel de complejidad establecido anteriormente como MEDIO; la dotación neta mínima es de 120 l/hab.dia. Dado las características de decremento de la población en la Universidad (Ver Tabla 13) se asumirá una dotación neta mayor a la mínima sugerida por la Tabla 15. La dotación neta asumida para el diseño es: 125 l/hab.dia Efecto del clima en la dotación neta: Teniendo en cuenta el clima predominante en el municipio, se recomienda variar la dotación neta establecida teniendo en cuenta la Tabla 16. Tabla 16. Variación a la dotación neta según el clima y el nivel de complejidad del sistema Nivel de complejidad Clima cálido Clima templado Clima frio del sistema (Mas de 28°C) (Entre 20°C y 28°C) (Menos de 20°C) Bajo + 15% + 10% No se admite Medio + 15% + 10% corrección por Medio alto + 20% + 15% clima Alto + 20% + 15% Fuente: RAS-2000 Título B. En la ciudad de Cartagena de Indias se registra una temperatura promedio de 30°C, dado esto y por efecto del clima cálido predominante la corrección a la dotación neta según la Tabla 16 está en +15%. Dotación neta final: 143.75 l/hab.día 80 Contribuciones de aguas residuales. El volumen de aguas residuales aportadas a un sistema de recolección y evacuación está integrado por las aguas residuales domésticas, industriales, comerciales e institucionales35 y el diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales normalmente se estima con base en el caudal diario promedio, pero; como este varia con el tiempo, los sistema deben ser diseñadas teniendo en cuenta periodos críticos de operación causadas por variación de caudal, concentración de contaminantes y carga contaminante36. Dado que el diseño de la planta será proyectado para las aguas residuales dentro del campus universitario en este proyecto solo se tendrá en cuenta el aporte de las aguas residuales domésticas. Caudal Doméstico: El aporte doméstico (QD) está dado por la expresión ( ) (Ec.41) Dónde: C es el caudal medio por habitante (corresponde a la dotación neta) (l/hab.día) P es la población (hab) R es el coeficiente de retorno El coeficiente de retorno es la fracción del agua de uso doméstico servida (dotación neta), entregada como agua negra al sistema de recolección y evacuación de aguas residuales, se pueden utilizar como guía los rangos de valores de R descripto en la Tabla 17 en función al nivel de complejidad. Tabla 17. Coeficiente de retorno de aguas servidas domésticas Nivel de Complejidad del sistema Coeficiente de retorno Bajo y medio 0.7 – 0.8 Medio alto y alto 0.8 – 0.85 Fuente: RAS-2000 Título D. Para un nivel de complejidad establecido anteriormente como MEDIO; el coeficiente de retorno es de 0.8. Aplicando la ecuación (41) se obtiene un caudal doméstico de . Caudal medio diario de aguas residuales. El caudal medio diario de aguas residuales (QMD) está dado como la sumatoria de los aportes domésticos, industriales, comerciales e institucionales. 35 Ministerio de Desarrollo Económico. Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico –Titulo D. RAS-2000.República de Colombia. Bogotá. 2000. 36 METCALF & EDDY.Op. cit. 81 (Ec.42) En este proyecto solo se tendrá en cuenta el aporte de las aguas residuales domésticas , dando un caudal medio diario de . Infiltración. Es debido a las infiltraciones de aguas subsuperficiales a las redes de sistemas de alcantarillado. El aporte puede establecerse con base en los valores de la Tabla 18. Tabla 18. Aportes por infiltración en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales Nivel de complejidad del Infiltración alta Infiltración media Infiltración baja sistema (L/s-ha) (L/s-ha) (L/s-ha) Bajo y medio 0.15 – 0.4 0.1 – 0.3 0.05 – 0.2 Medio alto y alto 0.15 – 0.4 0.1 – 0.3 0.05 – 0.2 Fuente: RAS-2000 Título D. (Ec.43) Dónde: Área del perímetro sanitario Cinf es la contribución por infiltración Para el diseño se adoptara el valor correspondiente a 0.2 l/s.ha. Se asumirá el área total de la Universidad37 como el área de perímetro sanitario es igual a 22 ha. Remplazando en la ecuación (43) se obtiene el aporte de las infiltraciones a la planta de tratamiento es de Cauda máximo horario (QMH). El caudal máximo horario es la base para establecer el caudal de diseño de una red de colectores de un sistema de recolección y evacuación de aguas residuales38. (Ec.44) Dónde: QMD es el medio diario final F es el factor de mayoración Factor de mayoración sirve para estimar el caudal máximo horario, con base en el caudal medio diario, tiene en cuenta las variaciones en el consumo de agua por 37 Universidad de San Buenaventura Cartagena. [Disponible en: http://www.usbcartagena.edu.co/la-universidad/campusuniversitario] Consultado el: 18 de Febrero de 2014. 38 RAS-2000 Título D. 82 parte de la población. Se estima con las relaciones aproximadas de Harmon y Babbit válidas para poblaciones de 1000 < Habitantes <1 000 000, y la de Flores, en la cual se estima F en función del número de habitantes. ( ) (Ec.45) (Ec.46) (Ec.47) Según el documento (RAS-2000 Título D) se recomienda que el valor de F deba ser mayor o igual a 1.4, por esta razón se toma la ecuación (47) dando como resultado . (Ec.48) Remplazando en la ecuación (48) se obtiene que el caudal máximo horario de la planta es de . Caudal de diseño. Este caudal corresponde a las contribuciones acumuladas que llegan al tramo hasta el pozo de bombeo. Se obtiene sumando el caudal máximo horario, los aportes de infiltraciones y conexiones erradas. (Ec.49) En este proyecto solo se tendrá en cuenta el caudal máximo horario y aporte de infiltraciones. Dando como resultado un caudal un caudal de diseño de . Caudal punta (Qp). Es el caudal hidráulico máximo que puede admitir la planta. Se emplea para el cálculo de los pretratamientos, conducciones, bombeo, tanque de sedimentación. Como aproximación se puede considerar que el caudal punta es tres veces el cauda medio diario39. (Ec.50) Remplazando en la ecuación (50) el caudal medio diario, se obtiene el caudal de punta . 39 FUENTES, Alejandro. Diseño y cálculo de la obra de llegada y pretratamiento de una EDARU. Trabajo de grado realizado para optar al título de Ingeniero Técnico en Electricidad. Universidad Carlos III de Madrid. Madrid 2012. 83 Caudal de diseño de la planta. (l/s) 10.4 Caudal punta (l/s) 11.31 Caracterización de aguas residuales de la Universidad de San Buenaventura Cartagena Los análisis relacionados a la caracterización de las aguas residuales se encuentran en la Tabla 19 los cuales fueron tomados en el pozo de recolección de aguas residuales de la Universidad de San Buenaventura Seccional Cartagena. Tabla 19. Caracterización de las aguas residuales de la USB Muestra 1 2 Parámetros DBO5, mg/L 398.00 290.00 DQO, mg/L 496.08 358.28 Sólidos suspendidos 10.00 13.00 totales, mg/L Aceite y grasas, N.D N.D mg/L Nitrógeno total, 45.64 46.48 mg/L Fósforo total, mg/L 3.52 4.58 pH 6.66 6.87 Temperatura, °C 31.06 31.08 3 200.00 248.04 7.50 N.D 37.24 4.59 6.71 31.32 Fuente: BARRIOS, Dionisio, VASQUEZ, Genny. Diseño De Un Reactor Anaeróbico De Flujo Ascendente A Través De Un Manto De Lodo (UASB) Para El Tratamiento De Las Aguas Residuales. Universidad De San Buenaventura. Cartagena. 2005. 4.2 DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS La planta de tratamiento de aguas residuales domésticas usando celdas de combustible microbiana, está conformada por un tratamiento primario y un tratamiento secundario (en este se tendrá la inclusión de la celda de combustible microbiana). Para los cálculos se tendrá en cuenta el caudal punta, que es el caudal máximo admisible por la planta es de 11.31 l/s. 84 Calculo del pozo bombeo Tendrá las mismas dimensiones del pozo bombeo de aguas residuales actual de la Universidad de San Buenaventura Cartagena40. Largo= 1.5m Ancho= 3.4m Profundidad= 1.83m Bomba.1 Permite la recolección del agua residual hacia el pozo de bombeo. (Ec. 51) Las presiones y se hacen cero (0) debido a que la superficie del recipiente está expuesta a la atmosfera. Las velocidades y se hacen cero (0) debido a que el área del recipiente es grande con respecto con respecto a la tubería. Luego la ecuación (51) se reduce de la siguiente forma: Los accesorios que posee esta bomba son los siguientes: 2 Válvulas de compuerta. 3 Codos de 90° 1 Válvula de retorno Caudal del diseño (Q) = Cálculos del tamaño de la tubería Para líquidos pocos viscosos se recomienda una velocidad de fluidos en tubería a la entrada de la bomba de 0.3m/s-0.9m/s y a la salida de la bomba de 1.2 m/s 3.0 m/s. Por criterio de diseño se tomaran los límites mínimos para los cálculos: 40 GONZALEZ, Adriana. RODRIGUEZ, Elem. Actualización y puesta en marcha en servicio de la planta de tratamiento de aguas residuales domesticas de la Universidad de San Buenaventura con fines didácticos. Trabajo de grado realizado para optar al título de ingeniero químico. Universidad San Buenaventura. Cartagena. 2005. 85 Diámetro de la tubería de succión De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: √ De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de Diámetro de la tubería de descarga De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: √ De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de Los diámetros internos de las tuberías son tomado de41: 41 PAVCO. Manual técnico, Tubo sistemas para alcantarillado. NOVAFORT – NOVALOC. [Disponible en: http://pavco.com.co/files/data/2012011780607_s.pdf] Consultado el: 19 de febrero de 2014. 86 Perdidas de fricción por línea de succión Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra 42 Se toma como tubería lisa De donde: Perdidas de fricción codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: 42 MOTT, R. Mecánica de fluidos. Editorial Pearson Educación. México. Sexta edición. p. 237 y 589. 87 Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de retención o check Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por dos codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por línea de descarga 88 La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra 42 Se toma como tubería lisa De donde: Perdida por expansión en la entra del tanque ( ( ) ) Dado que el área ( ( ) ) ( De donde: ) ( ( ) << se hace cero (0) ( ( para flujos turbulentos ) ) ( ) ) La pérdida total por fricción es la ∑ calculada fue de . , en nuestro caso la pérdida total por ficción De donde: 89 Determinación de ( ) la cabeza neta de succión positiva disponible El depende de la naturaleza del fluido que se esté bombeando, la tubería de succión, la ubicación del depósito del fluido, la presión aplicada al fluido en el depósito y la temperatura42. De donde: = Cabeza de presión estática (absoluta) aplicada al fluido, expresada en metros o pies del líquido. =Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba, expresada en metros. Si la bomba está debajo del depósito, es positivo. Si la bomba está arriba del depósito, es negativo. = Perdida por fricción en la tubería de succión =Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo en metros La presión de vapor del agua a 30°C es43: 43 STREETER, V. Mecánica de los fluidos. Editorial MCGRAW-HILL. Cuarta edición. México. 1970. Apéndice C. 90 En el Anexo. E se presenta la gráfica de la bomba Hidromac modelo 4x4x7A, de 1750 RPM, en esta se busca el punto de intercepción de Q vs H r y se puede leer la eficiencia, la potencia y el NPSHrequerido para la bomba. Obteniendo como resultado una potencia de ¾ Hp, una NPSHrequerido de 1.3 y una eficiencia del 55%. Dónde: Es el peso específico del agua tomado de42. De donde: Calculo de la potencia al freno. ( ) 91 ( ) Se recomienda asumir una eficiencia del motor del 80%. De donde: Las características de la bomba selecciona es una bomba Hidromac 4x4x7A (Ver Anexo. E) con diámetro de succión de aproximadamente 8 in y diámetro de descarga de 4in con una eficiencia de más de 50% con motor eléctrico US MOTORS 1.0 Hp, 1750 RPM, Trifásico. Con un NPSHrequerido de 1 a 2m. Diseño del tanque de igualación o de homogenización. Es conveniente considerar la construcción de un tanque de igualación u homogenización, cuya función es amortiguar las variaciones de las descargas de aguas residuales con el fin de tratar un caudal uniforme, esto permite diseñar los demás equipos en base al caudal medio y no al máximo y reduce el tamaño y costo de las demás unidades de tratamiento. Aforos de caudales. El aforo del caudal del agua residual doméstica de la Universidad de San Buenaventura Cartagena se encuentra en la Tabla 20 los cuales fueron tomados en el pozo de bombeo de la Universidad de 7:00 am a 9:00pm según disposición. Tabla 20. Medición de caudales N° Tiempo (hr) Q (l/s) 1 7:00 0,44741398 2 8:00 0,55778491 3 9:00 0,58270677 4 10:00 0,57377049 5 11:00 0,58641975 6 12:00 0,60334483 7 13:00 0,62877872 8 14:00 0,18824871 9 15:00 0,18602728 10 16:00 0,1898527 Q(m3/s) 0,00044741 0,00055778 0,00058271 0,00057377 0,00058642 0,00060334 0,00062878 0,00018825 0,00018603 0,00018985 92 V(m3) 1,61069033 2,00802568 2,09774437 2,06557376 2,1111111 2,17204138 2,26360339 0,67769536 0,66969821 0,68346972 VAcumulado 1,61069033 3,186716 5,28446038 7,35003414 9,46114524 11,6331866 13,89679 14,5744854 15,2441836 15,9276533 11 12 13 14 15 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 0,30339806 0,29952077 0,57661748 0,61917443 0,62166963 0,0003034 0,00029952 0,00057662 0,00061917 0,00062167 1,09223302 1,07827477 2,07582293 2,22902795 2,23801067 17,0198863 18,0981611 20,173984 22,403012 24,6410226 Fuente: GONZALEZ, Adriana. RODRIGUEZ, Elem. Actualización y puesta en marcha en servicio de la planta de tratamiento de aguas residuales domesticas de la Universidad de San Buenaventura con fines didácticos. Universidad San Buenaventura. Cartagena. 2005. Volumen en m3 por cada hora = * + * + Para hallar el volumen del tanque se grafica el tiempo contra volumen acumulado como se ve en la Figura 10, en donde la pendiente de la recta trazada desde el origen hasta el punto final del diagrama representa el caudal medio del día, que en este caso es de 0.0045632 m3/s. Figura 10. Curva de volumen acumulado 30 25 Caudal medio diario Vacumulado (m3) 20 Vacumulado 15 Volumen de regulación necesario 10 5 0 0 2 4 6 Tiempo 8(hr) 10 12 14 El espacio entre las tangentes de los picos presentes en la Figura.10 corresponde al volumen del tanque de igualación aproximadamente es de 4.5 m3. Dimensiones del tanque de igualación. En base a la actualización de la planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad44, se determinó una altura de 2.53 m. 44 GONZALEZ, Adriana. RODRIGUEZ, Elem. Op.cit. 2005. 93 El área para el tanque de igualación está dada por: El área calculada fue de . Dado que es conveniente que la base de los tanques de igualación sea cuadrada. Tenemos que el área de un cuadrado está dada por: De donde de . en nuestro caso el are es de y la longitud calculada fue Altura= 2.53 m Área=1.78m2 Largo=ancho=1.33m Volumen=4.5m3 Bomba.2 Permite el paso de agua desde el pozo de bombeo hacia el tanque de igualación. Las presiones y se hacen cero (0) debido a que la superficie del recipiente está expuesta a la atmosfera. Las velocidades y se hacen cero (0) debido a que el área del recipiente es grande con respecto con respecto a la tubería. Luego la ecuación (51) se reduce de la siguiente forma: Los accesorios que posee esta bomba son los siguientes: 2 Válvulas de compuerta. 2 Codos de 90° 1 Válvula de retorno Caudal del diseño (Q) = 94 Cálculos del tamaño de la tubería Para líquidos pocos viscosos se recomienda una velocidad de fluidos en tubería a la entrada de la bomba de 0.3m/s-0.9m/s y a la salida de la bomba de 1.2 m/s 3.0 m/s. Por criterio de diseño se tomaran los límites mínimos para los cálculos: Diámetro de la tubería de succión De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: √ De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de Diámetro de la tubería de descarga De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de . 95 √ Los diámetros internos de las tuberías son tomado de41: Perdida por reducción al salir del pozo ( ) Dado que el área ( << ) se hace cero (0) ( ) De donde: Perdidas de fricción por línea de succión Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es 96 para flujos turbulentos Mediante el diagrama de Moddy se encuentra 42 Se toma como tubería lisa Tomado de42 De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de retención o check Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por dos codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida 97 De donde: Perdidas de fricción por línea de descarga Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra Se toma como tubería lisa De donde: 98 42 Perdida por expansión en la entra del tanque ( ( ) ) ( ) << se hace cero (0) Dado que el área ( De donde: ) ( ( para flujos turbulentos ) ) La pérdida total por fricción es la ∑ calculada fue de . En nuestro caso la pérdida total por ficción De donde: Determinación de ( ) la cabeza neta de succión positiva disponible El depende de la naturaleza del fluido que se esté bombeando, la tubería de succión, la ubicación del depósito del fluido, la presión aplicada al fluido en el depósito y la temperatura. De donde: = Cabeza de presión estática (absoluta) aplicada al fluido, expresada en metros o pies del líquido. =Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba, expresada en metros. Si la bomba está debajo del depósito, es positivo. Si la bomba está arriba del depósito, es negativo. = Perdida por fricción en la tubería de succión 99 =Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo en metros A 30°C En el Anexo. E se presenta la gráfica de la bomba Hidromac modelo 4x4x7A, de 1750 RPM, en esta se busca el punto de intercepción de Q vs H r y se puede leer la eficiencia, la potencia y el NPSHrequerido para la bomba. Obteniendo como resultado una potencia de 0.9 Hp, una NPSHrequerido de 1 y una eficiencia del 58%. Dónde: Es el peso específico del agua a 30°C tomado de42 De donde: 100 Calculo de la potencia al freno ( ) ( ) Se recomienda asumir una eficiencia del motor del 80% De donde: Las características de la bomba selecciona es una bomba Hidromac 4x4x7A (Ver Anexo. E) con diámetro de succión de aproximadamente 8 in y diámetro de descarga de 4in con una eficiencia de más de 58% con motor eléctrico US MOTORS 1.0 Hp, 1750 RPM, Trifásico. Con un NPSHrequerido de 1 a 2m. Tanque de sedimentación primaria. El objetivo de este tratamiento es básicamente la remoción de los sólidos suspendidos y DBO en las aguas residuales, mediante el proceso físico de asentamiento en tanques de sedimentación. Deben utilizarse las gráficas de porcentaje de remoción de DBO y sólidos suspendidos como función de la tasa de desbordamiento superficial y del tipo de sedimentador (circular o rectangular). Los tanques de sedimentación primaria dimensionados y operados de manera eficiente pueden eliminar entre el 50 y 70% de los sólidos suspendidos y entre el 25 y 40% de la DBO5. Parámetros para el diseño del tanque de sedimentación primaria Los sólidos de las aguas residuales no presentan características regulares debido a su naturaleza heterogénea. Deben utilizarse las gráficas de porcentaje de remoción de DBO y sólidos suspendidos como función de la concentración del 101 afluente y el tiempo de retención (Ver Tabla 21). Las curvas de la Figura 11 se modelaron matemáticamente como una hipérbola mediante la siguiente expresión: (Ec.52) Dónde: R es el porcentaje de remoción de DBO o SST esperado en % T es el tiempo nominal de retención en hr a,b son constante empíricas Tabla 21. Valores de las constante empíricas a y b Variable a DBO 0.018 SST 0.0075 b 0.020 0.014 Fuente: CRITES,R. TCHOBANOGLOUS, G. Tratamiento De Aguas Residuales En Pequeñas Poblaciones. Editorial MCGRAW-HILL. 2000. Figura 11. Grafica de remoción de DBO y SST en tanques de sedimentación primaria Fuente: CRITES, R. TCHOBANOGLOUS, G. Tratamiento De Aguas Residuales En Pequeñas Poblaciones. Editorial MCGRAW-HILL. 2000. Los tanques de sedimentación primaria se proyectan para proporcionar un tiempo de retención entre 1.5 a 2.5 horas para el caudal medio del agua residual. Los tanques de sedimentación se dimensionan en función de la carga de superficie, expresada en m3/m2.dia. Los efectos de la carga de superficie y del tiempo de retención sobre la eliminación de sólidos suspendidos varían ampliamente en función de las características del agua residual, de la proporción de sólidos sedimentables y de la concentración de sólidos, principalmente. 102 Tabla 22. Información típica para el diseño de tanques de sedimentación primaria Valor Característica Intervalo Típico Sedimentación primaria seguida de tratamiento secundario Tiempo de retención, hr 1.5 - 2.5 2.0 3 2 Carga de superficie, m /m .dia A caudal medio 32 - 48 40 A caudal punta 80 - 120 100 3 2 Carga sobre vertedero, m /m .dia 125 - 500 250 Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill. México – 1996. La velocidad de arrastre es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del agua que fluye sobre las mismas. La velocidad crítica viene dada por la siguiente ecuación desarrollada por Camp, a partir de estudios realizados por Shields (1936): ( ( ) ) (Ec.53) Dónde: VH es la velocidad horizontal minima a la cual se inicia el arrastre de partículas k es la constate que depende del tipo de marial arrastrado s es el pero especifico de la partícula g es la aceleración de la gravedad d es el diámetro de la partícula f es factor de fricción de Darcy-Weisbach Los valores más comunes de k son 0.04 para arena unigranular, 0.06 para materia más agregada. El factor de Darcy-Weisbach depende de las características de la superficie sobre la que tiene lugar el flujo y del número de Reynolds, sus valores típicos están entre 0.02 y 0.03. Tanto k y f, son constantes adimensionales. 103 Figura 12. Tanque de sedimentación primaria rectangular Fuente: HORAN, N.J. Biological wastewater treatment systems: theory and operation. Chichester; New York: Willey. 1990. Diseño del tanque de sedimentación primaria. En este proyecto se diseñara un tanque de sedimentación primario de forma rectangular. Dada la construcción del tanque de igualación pre al sedimentador se utilizara el caudal de diseño medio para la construcción del sedimentador 10.4 l/s Tabla 23. Información típica para el diseño de un sedimentador primario rectangular Tipo de tanque Intervalo Valor típico Rectangular Profundidad, m 3 – 4.5 3.6 Longitud, m 15 – 90 25 – 40 Ancho, m 3 – 24 6 - 10 Velocidad de la rastra, m/min 0.6 – 1.2 1.0 Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Editorial McGraw- Hill 3ª Edición. Volumen I. México – 1996. El área superficial se calcula como: (Ec.54) Dónde: CS es la carga de superficie en m3/m2.día (Ver Tabla 22) se toma el valor típico a caudal medio (40 m3/m2dia) 104 El área superficial para el tanque de sedimentación calculada fue de Se toma una relación largo/ancho de 4:1, se calcula el largo y ancho del tanque. Despejando la longitud calculada es de De esta forma el largo es de 2.37m, y el ancho es de 9.5m. Se toma el valor típico para la profundidad (Ver Tabla.23) de 3.6m El volumen de un rectángulo está dada por: El volumen calculado fue de Calculo de la nueva carga superficial La nueva área es de 22.5m2 ( ) Calculo del tiempo de retención Calculo de la velocidad de arrastre Constante de cohesión Gravedad específica Gravedad Diámetro de partícula Factor de fricción Darcy-Weisbach Remplazando la ecuación (53) se obtiene la velocidad de arrastre: ( ( ) ) La velocidad de arrastre se compara con la velocidad horizontal. 105 Calculo de la velocidad horizontal. La velocidad horizontal, es menor que la velocidad de arrastre. De esta forma el material sedimentado no será resuspendido. Calculo de la tasa de remoción de DBO y SST Remplazando en la ecuación (52) se obtiene: ( ) ( ) Balance de masa en el sedimentador Figura 13. Esquema del balance de masa del sedimentador primario. Dónde: Qi= Caudal de entrada al sedimentador (m3/min) Qv= Caudal de agua clarificada (m3/min) Qf= Caudal de lodos (m3/min) Ci= Concentración de lodos en la corriente de entrada (mg/m3) Cv= Concentración de lodos en la corriente clarificada (mg/ m3) Cf= Concentración de lodos en la corriente de lodos (mg/ m3) 106 (Ec.55) (Ec.56) (55) ( ) (56) Despejando Qv en (55) Remplazando Qv en (56) ( ) Bomba.3 Permite el paso de agua desde el tanque de igualación hacia el sedimentador primario. Las presiones y se hacen cero (0) debido a que la superficie del recipiente está expuesta a la atmosfera. Las velocidades y se hacen cero (0) debido a que el área del recipiente es grande con respecto con respecto a la tubería. Luego la ecuación (51) se reduce de la siguiente forma: 107 Los accesorios que posee esta bomba son los siguientes: 2 Válvulas de compuerta. 2 Codos de 90° 1 Válvula de retorno Caudal del diseño (Q) = Cálculos del tamaño de la tubería Para líquidos pocos viscosos se recomienda una velocidad de fluidos en tubería a la entrada de la bomba de 0.3m/s-0.9m/s y a la salida de la bomba de 1.2 m/s 3.0 m/s. Por criterio de diseño se tomaran los límites mínimos para los cálculos: Diámetro de la tubería de succión De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de Diámetro de la tubería de descarga De donde el área de una tubería está dada por: 108 √ En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: √ De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de Los diámetros internos de las tuberías son tomado de41: Perdida por reducción al salir del tanque de igualación ( ) Dado que el área ( << ) se hace cero (0) ( ) De donde: Perdidas de fricción por línea de succión Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad 109 para flujos turbulentos Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra Se toma como tubería lisa 42 De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de retención o check Coeficiente de pérdida De donde: 110 Perdidas de fricción por dos codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por línea de descarga Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es 111 Mediante el diagrama de Moddy se encuentra 42 Se toma como tubería lisa De donde: Perdida por expansión en la entra del tanque ( ( ) ) ( ) << se hace cero (0) Dado que el área ( De donde: ) ( ( para flujos turbulentos ) ) La pérdida total por fricción es la ∑ calculada fue de . Determinación de ( ) la cabeza , en nuestro caso la pérdida total por ficción neta de succión positiva disponible El depende de la naturaleza del fluido que se esté bombeando, la tubería de succión, la ubicación del depósito del fluido, la presión aplicada al fluido en el depósito y la temperatura. 112 De donde: = Cabeza de presión estática (absoluta) aplicada al fluido, expresada en metros o pies del líquido. =Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba, expresada en metros. Si la bomba está debajo del depósito, es positivo. Si la bomba está arriba del depósito, es negativo. = Perdida por fricción en la tubería de succión =Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo en metros La presión de vapor del agua a 30°C tomado de43: A 30°C En el Anexo. E se presenta la gráfica de la bomba Hidromac modelo 4x4x7A, de 1750 RPM, en esta se busca el punto de intercepción de Q vs H r y se puede leer la eficiencia, la potencia y el NPSHrequerido para la bomba. Obteniendo como resultado una potencia de 0.8 Hp, una NPSHrequerido de 0.7 y una eficiencia del 55%. Dónde: Es el peso específico del agua tomado de41 113 De donde: Calculo de la potencia al freno ( ) ( ) Se recomienda asumir una eficiencia del motor del 80% De donde: Donde la potencia real del motor es de Las características de la bomba selecciona es una bomba Hidromac 4x4x7A (Ver Anexo. E) con diámetro de succión de aproximadamente 8 in y diámetro de 114 descarga de 4in con una eficiencia de más de 60% con motor eléctrico US MOTORS 1.0 Hp, 1750 RPM, Trifásico. Con un NPSHrequerido de 1 a 2m. Diseño de la Celda De Combustible Microbiana tipo PEM Para el diseño de la Celda de combustible microbiana se tendrá en cuenta el caudal clarificado que sale del sedimentador primario este es bombeado a la celda a razón de = 0.5 m3/min =8.3l/s=0.0083m3/s. Según criterio de diseño y mediante la revisión de información la celda estará compuesta por dos cámaras separadas por una membrana de intercambio protónico y un circuito eléctrico conformado por dos electrodos, un conductor eléctrico y una carga resistiva (Ver Figura 14) Con dimensiones de45. Contará además con: Agitación magnética en la cámara anaerobia (anódica) con el fin de promover una mezcla homogénea, aumentar la difusión de nutrientes y remover la materia orgánica muerta. Aireador mediante difusión en la cámara aerobia (catódica), para el burbujeo del oxígeno, permitiendo homogenizar la cantidad de oxigeno presente en la cámara catódica46. 45 IBÁÑEZ, R. HERNÁNDEZ, C. Tratamiento De Aguas Residuales Y Generación Simultánea De Energía Eléctrica Mediante Celdas De Combustible Microbianas. Trabajo de grado realizado para optar al título de Ingeniero Eléctrico Universidad Nacional de Colombia.2010. 46 RAMÍREZ, Héctor. Generación de Electricidad en una Celda de Combustible Microbiana de Tipo PEM. Tesis de grado para optar el título de Ingeniero químico. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. Universidad Nacional Autónoma de México. México. 2013. 115 Figura 14. Diagrama típico de una celda de combustible de dos cámaras Fuente: ZHUWEI, D.HAORAN, L. TINGYUE, G. A state of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy. 2007. Materiales de construcción Las cámaras del ánodo (cámara anaerobia) y cátodo (cámara aerobia) están unidas mediante una membrana intercambiadora de protones llamada Nafion®117, que tiene un espesor de 183µm; esta debe ser activada con H2SO4 a 45°C por 24hr ya que facilita el paso de los iones de hidrogeno a la cámara aerobia. Los electrodos están construidos de grafito, con un área efectiva de 800cm2. La resistencia externa utilizada es de 100Ω. El tiempo de retención hidráulico recomendado es de 6hr. En la Tabla 24 se muestran los materiales de construcción de celdas de combustible microbianas que se están utilizando para la construcción de la misma, dado el costo de estos materiales las celdas de combustible no superan un gran volumen y pueden ser operadas tanto en lotes como en flujo continuo. Tabla 24. Materiales básicos de una celda de combustible microbiana Items Materials Remarks Graphite, graphite felt, carbon paper, Anode carbon-cloth, Pt, Pt black, reticulated Necessary vitreous carbon (RVC) Graphite, graphite felt, carbon paper, Cathode Necessary carbon-cloth, Pt, Pt black, (RVC) 116 Anodic chamber Cathodic chamber Proton exchange system Electrode catalyst Glass, polycarbonate, Plexiglas Glass, polycarbonate, Plexiglas Proton exchange membrane: Nafion, Ultrex, polyethylene. poly(styrene-codivinylbenzene); salt bridge, porcelain septum, or solely electrolyte Pt, Pt black, MnO2,Fe3+, polyanilene, electron mediator immobilized on anode Necessary Optional Necessary Optional Fuente: ZHUWEI, D.HAORAN, L. TINGYUE, G. A state of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy. 2007. Producción de energía en una celda de combustible microbiana La cantidad de energía (Joules) obtenida a partir de un proceso electroquímico puede calcularse en función de la salida de potencia y de la duración del proceso como: Donde P (vatios) es la potencia y t (s) es el tiempo. La potencia depende tanto de la tensión (V) como de la corriente (I): Estos factores de corriente y potencia están vinculados a la resistencia que presenta la celda de combustible por la Ley de Ohm. La corriente (I) en amperios como: Dónde: V es el voltaje (voltios), Q es la carga (Coulombs) t es el tiempo (segundos) Tabla 25. Producción de energía en una celda de combustible microbiana Sustrato Inoculo Tipo de Vmáx Imáx Pmáx Rint electrodos [mV] [mA] [mW] [Ω] Agua residual Boñiga Grafito 449 1.800 0.3630 112 domestica Fuente: IBÁÑEZ, R. HERNÁNDEZ, C. Tratamiento De Aguas Residuales Y Generación Simultánea De Energía Eléctrica Mediante Celdas De Combustible Microbianas. Trabajo de grado realizado para optar al título de Ingeniero Eléctrico Universidad Nacional de Colombia.2010. 117 Figura 15. Producción de energía en una celda de combustible microbiana Fuente: IBÁÑEZ, R. HERNÁNDEZ, C. Tratamiento De Aguas Residuales Y Generación Simultánea De Energía Eléctrica Mediante Celdas De Combustible Microbianas. Trabajo de grado realizado para optar al título de Ingeniero Eléctrico. Universidad Nacional de Colombia.2010. De la Figura 15d la máxima densidad de corriente registrada es de 22.45mA/m 2. En la Figura 16 se muestra el comportamiento de la celda de combustible microbiana tipo PEM, en la cual se grafica el Voltaje (mV) vs la densidad e corriente (mA/m2 ). Mediante esta curva se evalúa los siguientes comportamientos: A circuito abierto, el voltaje es menor que la esperada teóricamente. Se produce una rápida caída de voltaje al comienzo de su funcionamiento. Una vez estabilizada, el voltaje va cayendo lentamente y de forma lineal. Cuando se demanda gran cantidad de corriente, el voltaje cae abruptamente. 118 Figura 16. Curva de polarización Fuente: IBÁÑEZ, R. HERNÁNDEZ, C. Tratamiento De Aguas Residuales Y Generación Simultánea De Energía Eléctrica Mediante Celdas De Combustible Microbianas. Trabajo de grado realizado para optar al título de Ingeniero Eléctrico. Universidad Nacional de Colombia.2010. Bomba.4 Permite el paso del agua clarificada del sedimentador primario hacia la celda de combustible microbiana. Las presiones y se hacen cero (0) debido a que la superficie del recipiente está expuesta a la atmosfera. Las velocidades y se hacen cero (0) debido a que el área del recipiente es grande con respecto con respecto a la tubería. Luego la ecuación (51) se reduce de la siguiente forma: Los accesorios que posee esta bomba son los siguientes: 2 Válvulas de compuerta. 4 Codos de 90° 1 Válvula de retorno Caudal del diseño (Q) = Cálculos del tamaño de la tubería Para líquidos pocos viscosos se recomienda una velocidad de fluidos en tubería a la entrada de la bomba de 0.3m/s-0.9m/s y a la salida de la bomba de 1.2 m/s 3.0 m/s. Por criterio de diseño se tomaran los límites mínimos para los cálculos: 119 Diámetro de la tubería de succión De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: √ De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de . Diámetro de la tubería de descarga De donde el área de una tubería está dada por: En nuestro caso el área de succión de la tubería fue de El área viene dada por: de donde se despeja el diámetro: De esta forma el diámetro de succión de la tubería es de . Los diámetros internos de las tuberías son tomado de41: 120 √ Perdida por reducción al salir del tanque de igualación ( ) Dado que el área ( << ) se hace cero (0) ( para flujos turbulentos ) De donde: Perdidas de fricción por línea de succión Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra Se toma como tubería lisa Tomado de42 121 42 : De donde: Perdidas de fricción por dos codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por válvula de retención o check Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por dos codo de 90° Coeficiente de pérdida De donde: 122 Perdidas de fricción por válvula de compuerta completamente abierta Coeficiente de pérdida De donde: Perdidas de fricción por línea de descarga Las propiedades del agua a 30°C es tomado de42: Viscosidad Densidad La rugosidad absoluta para tuberías de PVC es Mediante el diagrama de Moddy se encuentra Se toma como tubería lisa Tomado de42 123 42 : De donde: Perdida por expansión en la entra del tanque ( ( ) ( ) Dado que el área ( ( ) ) ( De donde: ) ( ) << ( ( se hace cero (0) para flujos turbulentos ) ) ( ) ) La pérdida total por fricción es la ∑ calculada fue de . Determinación de ( ) la cabeza , en nuestro caso la pérdida total por ficción neta de succión positiva disponible El depende de la naturaleza del fluido que se esté bombeando, la tubería de succión, la ubicación del depósito del fluido, la presión aplicada al fluido en el depósito y la temperatura. 124 De donde: = Cabeza de presión estática (absoluta) aplicada al fluido, expresada en metros o pies del líquido. =Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba, expresada en metros. Si la bomba está debajo del depósito, es positivo. Si la bomba está arriba del depósito, es negativo. = Perdida por fricción en la tubería de succión =Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo en metros la presión de vapor del agua a 30°C es tomado de43 En el Anexo. E se presenta la gráfica de la bomba Hidromac modelo 4x4x7A, de 1750 RPM, en esta se busca el punto de intercepción de Q vs H r y se puede leer la eficiencia, la potencia y el NPSHrequerido para la bomba. Obteniendo como resultado una potencia de 0.8 Hp, una NPSHrequerido de 0.5 y una eficiencia del 50%. Dónde: Es el peso específico del agua es tomado de41 De donde: 125 Donde la potencia de la bomba es de Calculo de la potencia al freno ( ) ( ) Se recomienda asumir una eficiencia del motor del 80% De donde: Donde la potencia real de motor es de Las características de la bomba selecciona es una bomba Hidromac 4x4x7A (Ver Anexo. E con diámetro de succión de aproximadamente 8 in y diámetro de descarga de 4in con una eficiencia de más de 60% con motor eléctrico US MOTORS 1.0 Hp, 1750 RPM, Trifásico. Con un NPSHrequerido de 0.5 a 1m. 4.3 SIMULACIÓN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS USANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANA Para la simulación del proceso de tratamiento de agua residual se deben definir los elementos que lo componen y además las condiciones de operación de los equipos que intervienen en la planta. Esto con el fin de simplificar el problema 126 centrándose en las variables que repercuten en el desempeño de los equipos. Para la simulación fue necesario realizar los balances de masa pertinentes a los equipos que se involucran en la simulación, así como los requerimientos de las bombas y demás accesorios. La simulación se llevó a cabo mediante el programa Aspen Plus®, el cual cuenta con algoritmos de cálculo, rápidos y estables, que permitirán imitar un proceso de tratamiento de las aguas residuales domésticas. Por otro lado para el tratamiento secundario se incluyen la celda de combustible microbiana, que a grande rasgos es un reactor donde un combustible se oxida en el ánodo, resultando en electrones, protones y un producto oxidado. Los electrones generados pasan desde el ánodo al cátodo a través del circuito externo, donde se combinan con el oxígeno presente en el aire burbujeado, y con los protones que llegan hasta el compartimiento del cátodo a través de la membrana selectiva de protones y se genera una corriente eléctrica. Figura 17. Diagrama del proceso de tratamiento de aguas residuales incluyendo la 12 14 17 MFC 8 IGUALACI VAL5 BOM3 VAL4 10 9 VAL3 4 BOM2 11 7 VAL6 5 VAL2 6 POZO 1 BOM4 VAL7 13 15 VAL1 3 BOM1 VAL8 SED 2 LODO 16 EFLUENTE CATODO ANODO Descripción del proceso simulado en la Figura 17. La simulación del proceso de tratamiento de agua residual se realiza con las especificaciones de los equipos antes diseñados, que consta de 4 bombas de agua que trabajan con un motor de 1 Hp para entregar un caudal máximo de 11.31l/s y a una temperatura de trabajo de 30 °C, un pozo de bombeo, un tanque de igualación el cual está representado por un reactor RCSTR, un sedimentador primario del cual se obtiene el clarificado que pasa a las celdas de combustible, estas están representadas por reactores tipo batch. 127 Resultados de la simulación Los resultados obtenidos en la simulación se resumen en las tablas siguientes para cada uno de los equipos que componen la planta. El paquete termodinámico utilizado fue NRTL47(Ver Anexo F), se tomó unidades del Sistema Internacional. Tabla 26. Resultado de la simulación en Aspen Plus para el tanque de igualación Variable Valor Temperatura de salida [K] 303.15 Presión de salida [kPa] 101.325 Flujo molar [kmol/s] 0.62 Entalpia [Watt] -1.177x108 Tabla 27. Resultado de la simulación en Aspen Plus para el sedimentador primario Variable Valor Temperatura de salida [K] 303.15 Presión de salida [kPa] 101.325 Flujo másico [kg/s] 11.187 Entalpia [Watt] 3.46x10-5 La ecuación que representa el proceso anaerobio de degradación de la materia orgánica presente en el agua residual doméstica se da de la siguiente forma: Ánodo: Se muestra que como producto del proceso se liberan hidronios ( ), los cuales, son liberados en la cámara anaerobia (ánodo) y trasferidos a la cámara aerobia (cátodo) mediante la membrana de intercambio protónico (PEM) esta membrana indudablemente ayuda a la migración de protones. Cátodo: Tabla 28. Resultado de la simulación en Aspen Plus para el ánodo y cátodo Variable Ánodo Cátodo Tiempo de reacción [hr] 12 12 Carga de calor por ciclo [Watt] 458.394 5.381x10-6 Temperatura mínima [K] 303.15 303.15 Temperatura máxima [K] 308.15 308.15 -6 Entalpia [Watt] 2.58x10 6.73 x10-6 47 CARLSON, E. Don´t Gamble With Physical Properties For Simulatio Chemical Engineering Progrees. 1996. p.36 y 38. 128 Tabla 29. Resultado de la simulación en Aspen Plus para las bombas Variable Bomba. 1 Bomba. 2 Bomba. 3 Energía fluida [kW] 1.14599 1.14604 1.14609 Potencia al freno [kW] 2.08361 1.97593 2.0838 Electricidad [W] 2083.61 1975.93 2083.8 Velocidad de flujo 0.01131 0.0113105 0.0104 3 volumétrico [m /s] Cambio de presión[kPa] 101.325 101.325 101.325 NPSHdisponible [m] 10.008 10.0072 10.0065 Altura desarrollada [m] 10.4459 10.4464 10.4469 Eficiencia de la bomba 0.55 0.58 0.55 (utilizada) Trabajo neto requerido [kW] 2.08361 1.987593 2.0838 Bomba.4 0.2292 0.4583 458.394 0.0083 20.265 10.008 2.08918 0.5 0.458394 Comparación de los resultados del diseño con los resultados de la simulación para las bombas Anteriormente se diseñaron las bombas según las ecuaciones establecidas en la literatura, sería importante destacar la comparación del diseño teórico con los de la simulación en Aspen Plus®. Tabla 30. Resumen de los resultados del diseño y de la simulación Variable Bomba.1 Sim Dis Energía fluida [kW] Potencia al freno [kW] Electricidad [W] Velocidad de flujo 3 volumétrico [m /s] Cambio de presión[kPa] NPSHdisponible [m] Altura desarrollada [m] Eficiencia de la bomba (utilizada) Trabajo neto requerido [kW] Bomba.2 Sim Dis Dis Bomba.3 Sim Bomba.4 Dis Sim - 1.14599 - 1.14604 - 1.1461 - 0.2292 0.47 2.08361 0.57 1.97593 0.52 2.0838 0.4 0.4583 - 2083.61 - 1975.93 - 2083.8 0.01131 0.01131 0.01131 0.01131 0.0104 0.0104 0.0083 0.0083 - 101.325 - 101.325 - 101.32 - 20.265 15.77 10.008 12.6 10.0072 13.3 10.006 13.1 10.008 - 10.4459 - 10.4464 - 10.447 - 2.0892 0.55 0.55 0.58 0.58 0.55 0.55 0.5 0.5 0.58 2.083 0.75 1.987 0.67 2.084 0.52 0.458 Dis: Diseño teórico Sim: Simulación en Aspen Plus 129 458.39 La similitud o diferencia de los valores teóricos y los de la simulación se deben a que los datos de la simulación son alimentados a partir del diseño de los equipos mediante las ecuaciones establecidas en la literatura, así como el método base usado para correr la simulación. (Ver Tabla 30) 4.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS En la Tabla 31 se muestra los resultados obtenidos en diferentes estudios referentes a la producción de energía durante procesos de tratamiento de aguas residuales mediante celdas de combustible microbiana. Sin duda las celdas de combustible microbianas han generado gran interés a nivel internacional por sus dos indudables ventajas de tratar aguas residuales simultáneamente al proceso de generación de energía. Tabla 31. Resultados de diferentes estudios referentes a la producción de energía durante mediante celdas de combustible microbiana Densidad de potencia (mA/m2) Eficiencia coulombica (%) Referencia Sustrato Cultivo Tipo de electrodo Lactato Shewanella oneidensis Carbón reticulado vítreo 24 2.4 Ringeisen et al. (2006) Agua residual doméstica Bacterias de aguas residuales Grafito 24 3-12 Liu et al. (2004) Glucosa Cultivo mixto Grafito plano 3600 89 Papel carbón 286 ± 3 65 Papel carbón 494 9-12 Liu y Logan (2004) Lodo anaeróbico Grafito 200 - Jang et al. (2004) Geobacter metallireducens Bacterias de agua residual doméstica Papel carbón 40 ± 1 19 Papel carbón 269 ± 1 6 0.097 63-78 262 40-55 Acetato Glucosa Agua residual sintética Acetato Peptona Bacterias de agua residual doméstica Bacterias de agua residual domestica Acetato Lodos activados Glucosa Bacterias de agua residual Papel carbón Papel carbón 130 Rabaey et al. (2003) Min y Logan (2004) Min et al. (2005) Heilmann y Logan (2006) Oh et al. (2004) Liu y Logan (2004) 788 No reportó Park y Zeikus (2003) Acetato Lodos activados Grafito plano Glucosa Bacterias de agua residual doméstica Fibra de carbón 1430 23 Logan et al. (2007) Glucosa Cultivo mixto Papel carbón 336 y 340 60 Alzate et al (2007) Agua residual urbana Bacterias de agua residual doméstica Grafito cilíndrico 180 - Rodrigo et al (2007) Agua residual sintética Consorcios mixtos anaeróbicos Aguas residuales Consorcios mixtos de anaeróbicos cervecería Agua residual Lodo anaeróbico domestica Agua Lodo granular a residual partir de un sintética reactor (UASB) Agua Cultivo anaerobio residual de una MFC sintética preexistente Agua Mezcla residual anaeróbica de sintética planta de aguas con melaza residuales y urea Agua residual Bacterias de agua modificado residual con acetato Agua residual Bacterias de agua domestica residual modificado doméstica con glucosa Agua residual Lodos activados sintética Agua residual Boñiga domestica Grafito 860 - Venkata Mohan et al. (2008a) Fibra de carbón 1800 - Wen et al (2009) Grafito plano 600 - Wang et al (2009ª) Carbón vidrioso 170 - Aldrovandi et al. (2009) Barras de grafito 80 - Jadhav y Ghangrekar (2009) Cobre y oro 50 - Kargi y Eker (2007) Papel carbón 800 - Min y Angelidaki (2008) Carbón cilíndrico 408 - Buitrón y Pérez (2011) Papel carbón 12.11 50 Ramírez (2013) Grafito 22.45 - Criterios de diseño 131 Para los criterios de diseño en este proyecto se basaron en los estudios realizados por los estudiantes IBAÑEZ y HERNANDEZ en la Universidad Nacional de Colombia, estos criterios tienen grandes similitudes con estudios reportados por otros autores a nivel internacional, la utilización de grafito para los electrodos y agua residual domestica como sustrato dan muestra de ello. La utilización de la membrana de intercambio protónico, Nafion® 117, fabricado por Dupont, hace parte importante en la construcción de las celdas de combustible microbiana ya que esta permite el paso de iones positivos (iones hidrógeno o protones) en una sola dirección (del ánodo al cátodo). Algunos estudios reportan la utilización de puente de sal en remplazo a la membrana y para reducir costos. Estos criterios difieren de los reportados por otros estudios en el área efectiva de los electrodos la cual fue de 800cm2 y las reportadas no superan los 200cm2; así mismo por el tipo de cultivo utilizado en este caso son las bacterias presentes en el excremento de la vaca, y en los estudios reportados es más común utilizar las bacterias presente en el agua residual, consorcios mixtos anaeróbicos y lodos activados, entre otros. 4.5 ANÁLISIS BIBLIOMÉTRICO DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DURANTE EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS USANDO MFC. Como se ha mencionado en capítulos anteriores el creciente interés de un proceso de tratamiento de aguas residuales basado en la utilización de celdas de combustible microbiana para la generación simultánea de energía eléctrica ha proporcionado una gran oportunidad para el desarrollo científico y tecnológico de este tema en los últimos años. Las Figuras 18 – 23 muestran que la búsqueda en la base de datos Scopus, con la frase clave: wastewater treatment using a microbial fuel cell arrojan 659 documentos, e indican el aumento del número de artículos publicados en los últimos once años (2003 - 2014); así mismo los países y las revistas científicas con mayor actividad registrada referente al tema. 132 Figura 18. Número de artículos publicados por año sobre el tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. Figura 19. Revistas científicas de más publicaciones sobre el tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. 133 Figura 20. Universidades en el mundo que más aportan sobre el tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. Figura 21. Países con mayor aporte sobre el tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. Figura 22. Países en Latinoamérica con aportes en el tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. 134 Como se puede ver en la Figura 22 los países de Latinoamérica tienen una baja publicación de artículos sobre la producción de energía durante el tratamiento de agua residual usando MFC. México es una de los países de Latinoamérica que presenta mayor incursión en el tema. En Colombia se ha realizado algunas investigaciones sobre las MFC concretamente en la Universidad Nacional de Colombia. Figura 23. Tipo de publicación vinculado al tema Fuente: Scopus [Disponible en: http://bibliotecadigital.usbcali.edu.co:2061/home.url] Los datos se basan en el número de artículos que citan la frase clave en Scopus. Consultado el 04 de Marzo de 2014. Los artículos científicos representan el 72.5 % de las publicaciones referentes al tema. 135 5. CONCLUSIONES En este trabajo se ha diseñado, modelado y simulado una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas de pequeña escala, la cual está conformada por un pozo de bombeo, un tanque de igualación, un sedimentador primario y como tratamiento secundario se optó por celdas de combustible microbiana tipo PEM. Se logró determinar el tamaño óptimo de la planta de tratamiento de aguas residuales usando MFC en la Universidad de San Buenaventura, teniendo en cuenta la selección de la tecnología, el caudal, la población servida que es de 2832. El caudal de diseño y el caudal de punta de la planta (10.4 l/s y 11.31 l/s) fueron calculados teniendo en cuenta los caudales medio diario y máximo horario (3.77 l/s y 6 l/s). Estas cantidades fueron determinadas a partir de datos de la población suministrados por la unidad de soporte tecnológico de la Universidad. A través del uso del software Aspen One® se llevaron a cabo los balances de masa y energía que permitieron establecer las dimensiones de los equipos necesarios para realizar la mayoría de las operaciones unitarias. Sin embargo, algunas etapas como los procesos de tratamiento de agua residuales, reacciones bioquímicas y la predicción de propiedades de componentes orgánicos fueron tratadas de manera aproximada utilizando equipos y sustancias similares. El tratamiento escogido es apropiado para tratar el agua residual de la Universidad, debido al bajo caudal a tratar (10.4 l/s) y a las características fisicoquímicas del agua (DBO5, DOQ, SST, aceites y grasas, nitrógeno total, fosforo total, pH, Temperatura), además que permite diseñar la celda con las dimensiones reportadas en la literatura (Altura=40 cm, ancho=30cm, profundidad, 28cm, área de electrodos= 800cm2). Un sistema de tratamiento basado en MFC proporciona una gran oportunidad para el desarrollo de la tecnología, ya que el agua residual necesita ser tratada y para el funcionamiento de las plantas de tratamiento se consume gran cantidad de energía, que puede ser recuperada con el funcionamiento de la celda dando lugar a un sistema sostenible, basado no solamente en los requerimientos de energía del sistema, sino también para la producción de un exceso neto de energía. Es así como en este proyecto se estimó que la cantidad de energía obtenida a partir del tratamiento MFC fue de 0.3630 mW y densidad de corriente 22.45 mA/m2. Los altos costos de los materiales de construcción de las MFC han impedido el desarrollo de plantas de tratamientos de agua de residuales o de plantas piloto que utilicen celdas de combustible microbiana como tratamiento secundario. 136 El uso de membranas de intercambio protónico, Nafion®, permiten el paso de iones positivos (iones hidrógeno o protones) en una sola dirección (del ánodo al cátodo) lo cual es fundamental en la construcción de las celdas de combustible microbiana. 137 6. RECOMENDACIONES Desarrollar un adecuado modelo termodinámico del flujo de trabajo, así como la incorporación de equipos al programa Aspen Plus® que representan este tipo de procesos químicos. Realizar el estudio económico de viabilidad de la aplicación de celdas de combustible microbiana en procesos de tratamiento de aguas residuales. Construir un prototipo de celda de combustible microbiana tipo PEM, que permita realizar pruebas experimentales sobre la producción de electricidad, de voltaje y corriente eléctrica; y demás parámetros que intervienen en el funcionamiento de la celda. Dar disposición final a los lodos obtenidos de la sedimentación primaria del agua residual. 138 REFERENCIAS AELTERMAN, P. RABAEY, K. PHAM, H. BOOM, N & VERSTRAETE, W. Continuous electricity generation at high voltages and currents using stacked microbial fuel cells. Env. Sci. Technol. 40: 3388-3394. 2006. ÁLZATE, L. FUENTE,C. ÁLVAREZ, A. SEBASTIAN, J. Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM. Int. Sci. Interciencia. 38: 503-509. Universidad Autónoma del Estado de México. Mexico. 2008. BARRIOS, Dionisio & VASQUEZ, Genny. Diseño De Un Reactor Anaeróbico De Flujo Ascendente A Través De Un Manto De Lodo (UASB) Para El Tratamiento De Las Aguas Residuales De La Universidad De San Buenaventura. 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Noviembre del 2008. UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA. Proyecto Educativo Bonaventuriano. Cap. II. ZHUWEI, D. HAORAN, L. TINGYUE, G. A state of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy. 2007. ANEXOS Anexo A. Tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento de aguas residuales Anexo B. Características de operaciones de los procesos de lodos activos Anexo C. Parámetros empíricos de diseño para el proceso de lodos activos Anexo D. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros precoladores Anexo E. Curva característica de la bomba HIDROMAC Bomba.3 Bomba.4 Bomba.2 Bomba.1 Anexo F. Pasos para la selección de métodos de propiedades físicas Fuente: CARLSON, E. Don´t Gamble With Physical Properties For Simulatio Chemical Engineering Progrees. 1996. p.36. Anexo Fa. Selección de métodos de propiedades físicas para componentes polares y no electrolíticos Fuente: CARLSON, E. Don´t Gamble With Physical Properties For Simulatio Chemical Engineering Progrees. 1996. p.38.
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