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UTEQ
Firmado digitalmente por UTEQ
Nombre de reconocimiento (DN): cn=UTEQ, o=UTEQ,
ou=UTEQ, [email protected], c=MX
Fecha: 2015.06.17 12:43:54 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto
“SEGUIMIENTO DE UN PROCESO ANAEROBIO MEDIANTE
ANÁLISIS DEL ÍNDICE DE ALCALINIDAD ALFA”.
Empresa
(CIDETEQ) Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en
Electroquímica
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de
INGENIERO AMBIENTAL
Presenta
Ruiz Islas Stephanie Edith
Asesor de la UTEQ
M. A. David Mora Villanueva
Asesor de la Organización
Dr. Adrián Rodríguez García
Santiago de Querétaro Qro, junio del 2015
RESUMEN
Para que un tratamiento anaerobio a las aguas salobres sea aplicado
cotidianamente, es necesario encontrar los valores óptimos de índices tampón,
índice de alcalinidad (AI/AP), e índice alfa, y es lo que este proyecto tiene por
objetivo.
Para este proyecto se analiza el efluente de agua residual salobre, tratada mediante
Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente (Upflow Anaerobic
Sludge Blankett o UASB por sus siglas en inglés), para conocer el valor ideal del
índice alfa y de esta manera verificar que el sistema de tratamiento sea eficiente
para el agua salobre y obtener la mejor remoción y una buena producción de biogás.
El índice alfa es una herramienta importante para verificar que las condiciones en un
reactor son adecuadas y de esta manera el sistema trabaje de manera óptima,
produciendo así, la mayor cantidad de biogás.
Palabras clave: (Índice alfa, consorcio bacteriano, ácidos grasos volátiles).
2
SUMMARY
3
DEDICATORIAS
Esta memoria está dedicada a la hermosa persona que me dio la vida, que con su
esfuerzo y sacrificio supo sacarme adelante, que nunca se rindió y siempre me
apoyó, mi madre Valentina Islas, a mi padre Ramiro Ruiz por ser el mejor papá, con
quién compartí momentos gratos y divertidos, sé que puedo contar hoy y siempre, y
que también me ha apoyado incondicionalmente sin tirar la toalla.
Y por último, pero no menos importante mi hermana, mi compañera de travesuras y
juegos, mi cómplice y mi mejor amiga.
4
AGRADECIMIENTOS
Mediante este escrito, quiero agradecer a mi familia por ese apoyo tan incondicional,
porque sin ellos no estaría aquí, y más importante me motivan a seguir avanzando.
Así mismo todo mi agradecimiento a mis profesores de la carrera, a el profesor
David Mora por que más que mi profesor es mi asesor en esta etapa de la carrera y
desde que le conozco ha sido una persona con quién puedo confiar.
Al profesor José Ramón porque siempre cuidó a mi grupo como un papá más, al
profesor Julio Díaz que me enseñó a trabajar bajo mucha presión y hacer las cosas
cada vez mejor, y a quién gracias a sus tareas casi aprendo plomería.
A los profesores Hugo Hernández, Víctor Bazail, Adriana Chávez, Livier Cacho,
Gerardo Mendoza.
A Juan Camacho porque me apoyó en momentos difíciles y siempre supo cómo
sacarme una sonrisa y hacerme feliz.
A José Luis Rojas mi mejor amigo, con el que compartí más que risas y momentos
geniales, una de las personas más lindas que conozco, aventuras y travesuras, Te
quiero.
A mis compañeritas lindas, Susy, Vicky, Perlis, Naty, Fer, Ana.
De corazón gracias a todos.
5
ÍNDICE
RESUMEN ................................................................................................................................... 2
SUMMARY .................................................................................................................................. 3
DEDICATORIAS ......................................................................................................................... 4
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ 5
ÍNDICE ......................................................................................................................................... 6
I.
Introducción ......................................................................................................................... 7
II.
Antecedentes....................................................................................................................... 9
III. Justificación ....................................................................................................................... 14
IV. Objetivo .............................................................................................................................. 15
V. Alcance ............................................................................................................................... 16
VI. Análisis de riesgos ............................................................................................................ 17
VII. Fundamentación teórica .................................................................................................. 18
VIII. Plan de actividades .......................................................................................................... 25
IX. Recursos materiales y humanos .................................................................................... 26
X. Desarrollo del proyecto .................................................................................................... 27
XI. Resultados obtenidos....................................................................................................... 29
XII. Conclusiones y recomendaciones ................................................................................. 36
XIII. Bibliografía .............................................................................................................................
6
I.
Introducción
Los parámetros de control conocidos como índice tampón (IB), índice alfa (α), e
índice de alcalinidad, son indispensables para cualquier proceso en el que se
involucren bacterias anaerobias, principalmente a las metanogénicas debido a que
son más sensibles a los cambios de pH.
Cuando las condiciones dentro del reactor anaerobio son las adecuadas, las
bacterias metanogénicas utilizan los ácidos grasos volátiles (AGV), que se han
producido, para transformarlos en dióxido de carbono y metano, de esta manera si la
carga orgánica es mayor a las bacterias, el proceso de degradación se vuelve lento y
entonces aumenta la concentración de los AGV, la acumulación de estos
compuestos es perjudicial para estos sistemas.
Uno de los problemas más comunes del tratamiento anaerobio es la acumulación de
AGV, que provoca una caída del pH (acidificación) en el reactor. Está acumulación
ocurre por aumentos repentinos de carga orgánica, disminución de la biomasa
(aumento en la relación alimento/microorganismo), tiempos de residencia bajos,
entre otros. La acidificación del reactor provoca una pérdida de dinero, tiempo,
material y principalmente la eficiencia del tratamiento.
Los parámetros de control para el sistema de tratamiento anaerobio son necesarios,
si lo que se busca es eficiencia y una alta producción de biogás a bajos costos,
según el tipo de agua, se debe verificar la relación entre los AGV y la alcalinidad,
para que tenga un buen desempeño del sistema de tratamiento anaerobio, la
alcalinidad bicarbonática y la alcalinidad total.
7
El proyecto se desempeña en el centro de investigación y desarrollo tecnológico en
electroquímica (CIDETEQ), bajo la supervisión del Dr. Adrián Rodríguez García,
como parte del proyecto “Optimización y acoplamiento de sistemas de tratamiento de
aguas residuales salobres”, como parte de la tesis del Estudiante de Doctorado en
Ciencia y Tecnología con especialidad en Ingeniería Ambiental, M. H Alain Ricardo
Picos Benítez.
8
II.
Antecedentes
PROYECTO
A continuación se presentan brevemente dos casos en los que se realizan
investigaciones similares a las que se desarrollan en este proyecto, aunque las
condiciones no son las mismas, se toman como referencia algunos datos que son
útiles para corroborar que el sistema anaerobio funciona adecuadamente.
RELACIÓN ALCALINIDAD ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES
Es un trabajo de investigación, en el que se propone la determinación de alcalinidad,
como un método seguro y eficaz para el control de la acumulación de AGV en
digestores anaerobios. La determinación de la capacidad buffer del sistema, la cual,
puede ser utilizada para vigilar el funcionamiento de reactores UASB y la
coexistencia en el mismo medio de otros compuestos orgánicos e inorgánicos, en el
mismo rango de pH, pero, sin su misma efectividad en el control de la acidificación.
Gráfica 1: Análisis para la regresión de datos de la valoración a pH 5.75 y pH 4.3 en sobrenadante de
lodos
9
La gráfica anterior muestra un análisis para el coeficiente de ajuste de las dos
variables, dando como resultado excelente correlación de un 95% en la regresión de
datos, entre la alcalinidad bicarbonática verdadera del sobrenadante centrifugado de
lodos anaerobios en el reactor, a pH 5.75 y 4.3. Esto representa el funcionamiento
óptimo del reactor, manteniendo una capacidad buffer muy buena.
Gráfica 2: Correlación entre las alcalinidades verdaderas determinadas por determinación de alcalinidad
En la gráfica 2 se aprecia una correlación existente entre el análisis de la alcalinidad
bicarbonática a diferentes valores de pH, que aunque no es óptima si muestra una
relación entre las dos variables medidas. El eje x está dado por la alcalinidad
bicarbonática verdadera a pH 4.5 y el eje Y por el pH 5.75. (Chacón, 1987)
10
EVALUACIÓN
DEL
DESEMPEÑO
DE
LAGUNAS
ANAEROBIAS
EN
EL
TRATAMIENTO DE EFLUENTES INDUSTRIALES:
Trabajo, en el que se evalúa una laguna anaerobia que procesa los efluentes
generados en una industria de producción de levaduras. Se analiza el tipo de
comportamiento hidráulico de la laguna y se plantea la utilización del índice alfa, a la
salida, como parámetro de evaluación alternativo.
La determinación de la concentración de AGV y alcalinidad es realizada por
valoración con ácido (clorhídrico, sulfúrico, acético, bromhídrico, etc.), hasta pH 5.75
y 4.3, lo que constituye un procedimiento económico y sumamente sencillo de
implementar a nivel industrial. El trabajo se ve reflejado a lo largo de ocho meses, los
incrementos y decrementos se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 2: valores medios mensuales de los parámetros de control
En la tabla 2 se presentan los valores promedio obtenidos durante el estudio,
también se muestra que el TRH aumentó de 35 a 58 días, hubo variaciones
significativas en la concentración de DQO entre los meses de junio y noviembre.
11
Gráfica 3: Parámetros de evaluación.
La gráfica anterior muestra las variaciones del índice alfa (AB/AV), se concluyó que
el índice alfa resultó ser un parámetro de evaluación de desempeño la laguna
anaerobia, puesto que, mostró variaciones de acuerdo a la carga orgánica
suministrada y según el trabajo a la temperatura. (Martinez, 2000)
12
EMPRESA
CIDETEQ, es el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica,
realiza actividades en investigación y el desarrollo de tecnología en electroquímica,
además proporciona diversos servicios a la industria; tales como análisis de metales,
análisis de aguas, caracterización de materiales y análisis de fallas.
Creado el 26 de septiembre de 1991, como una sociedad civil con el propósito de
ser un Centro Público de Investigación, con el reto de responder a la necesidad de
vinculación entre industriales e investigadores.
Desde sus inicios, el CIDETEQ ha sido líder en la investigación y el desarrollo de
tecnología en electroquímica, además proporciona diversos servicios a la industria;
tales como análisis de metales, análisis de aguas, caracterización de materiales y
análisis de fallas. Actualmente, se especializa en desarrollar proyectos y servicios de
alto valor agregado a través de sus tres áreas estratégicas: Procesos, Ambiente y
Materiales. (CIDETEQ, 2015)
13
III.
Justificación
La digestión anaerobia es una tecnología que es muy utilizada actualmente, una de
sus ventajas es la alta eficiencia y la producción de metano como producto de la
degradación de los contaminantes. Estos sistemas requieren de un control estricto
de sus variables para obtener buenos resultados. Los parámetros que normalmente
son controlados en estos sistemas son: temperatura, nutrientes, pH (acidez y
alcalinidad), AGV, TRH, carga orgánica, sólidos suspendidos volátiles (SSV), entre
otros.
En el presente proyecto se utiliza un sistema de tratamiento anaerobio para un agua
residual salobre. Las aguas residuales salobres son difíciles de tratar mediante los
procesos convencionales, debido a la inhibición de los microorganismos causada por
la salinidad del agua residual. Un reactor UASB es capaz de tratar este tipo de
aguas, al inocular el reactor con una biomasa proveniente de un cuerpo de agua
salobre, sin embargo, es necesario conocer los parámetros de control óptimos para
operar el sistema, de manera que se produzca la mayor cantidad de biogás posible y
una alta eficiencia.
Para conocer estos valores sería necesario analizar varios parámetros, en este caso,
se propone el uso del factor alfa, para conocer el valor óptimo al cual se dan estas
condiciones. Se eligió este parámetro, debido a que, es fácil de determinar, barato y
confiable.
14
IV.
Objetivo
Encontrar los valores óptimos de índices tampón, AI/AP, e índice alfa para el
monitoreo de un sistema de tratamiento anaerobio que trata agua salobre.
Objetivos específicos
Estudiar los valores óptimos de índice alfa en sistemas de tratamiento anaerobio
convencionales.
Encontrar el valor óptimo del índice alfa en un sistema de tratamiento anaerobio de
agua residual salobre.
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V.
Alcance
En un total de dieciséis semanas, se trabajará con un efluente de agua salobre
tratado por digestión anaerobia, las primeras 12 semanas se recolectará muestra
para calcular el índice alfa, para al cabo de 14 semanas estimar el valor óptimo del
índice alfa en el que el reactor trabaja eficientemente y así proponer este parámetro
de control para futuras investigaciones.
16
VI.
Análisis de riesgos
Los riesgos considerados para que el presente proyecto no se lleve a cabo son
debido a la falta de material, una variable importante para lograr generar datos y
concluir, es el tiempo, puesto que transcurre y el periodo propuesto para completar
el proyecto se hace más pequeño, mientras que las pruebas están frenadas por la
falta de material de laboratorio, equipo y reactivos.
Así mismo la disponibilidad de los equipos no es buena, puesto que en un centro de
investigación el equipo se usa por la mayoría del personal y los tiempos de espera
son tardados, sin mencionar el hecho de que la no calibración periódica de los
mismos se suma al margen de error ya existente a los análisis.
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VII.
Fundamentación teórica
¿QUÉ SON LAS AGUAS RESIDUALES?
Se entiende como agua residual aquella procedente de cualquier actividad,
industrial, agrícola y doméstico, conteniendo así otras sustancias (contaminantes)
ajenas a ella, esto hace que el agua tenga un cambio químico y físico en su
composición.
TIPOS DE AGUAS RESIDUALES
Domésticas: Resultado de las actividades cotidianas en el hogar, aportando así
sustancias comunes para limpieza, para la cocina, y meramente del servicio
Sanitario.
Agrícolas: Provenientes de la explotación agrícolas o ganaderas y también de la
escorrentía que se llega a producir en los terrenos.
Industriales: Procedentes de cualquier actividad o negocio en cuyas actividades se
involucre el agua. (Lapeña, 1989)
Dentro del ramo industrial se encuentran muchas industrias que requieren agua en
sus procesos, por lo que el agua residual que cada una genera tiene características
muy específicas.
Industria metalúrgica: Resulta del uso de agua en contacto con metales dentro del
sistema de operación.
Industria Química: Contiene residuos químicos, debido a que, se utiliza agua en las
acciones donde tiene contacto con sustancias químicas.
18
(Ramalho, Beltrán, & Lora, 1990)
Industria Alimenticia: Éstas, se ven involucradas en procesos de producción, o
limpieza de alimentos, por lo que contiene altas concentraciones de materia
orgánica, proteínas, grasas, carbohidratos. Algunos ejemplos son: la elaboración de
pan, cervecera, harinas de maíz, etc. Entre estas aguas, encontramos las que
generan aguas residuales salobres, como la producción de harina de pescado,
elaboración de conservas y el curtido de pieles. Cabe mencionar, que los
tratamientos convencionales para este tipo de aguas no son eficientes, por la
salinidad que contiene el agua. (Ramalho, Beltrán, & Lora, 1990)
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Pretratamientos:
Son acciones para retirar del agua residual, aquellos sólidos suspendidos que
puedan interferir en los procesos posteriores.
Son comúnmente utilizados los tratamientos físicos.
(Delgadillo & Rosales, 2005)
Primarios:
Después de haber pasado por el tratamiento preliminar, aún hay sólidos
suspendidos que lograron pasar a esta etapa del tratamiento, cabe destacar que los
tratamientos usados como primarios son viables según la economía, la calidad que
se requiera y de la etapa secundaria.
Son comúnmente utilizados los tratamientos físico- químicos. (Delgadillo & Rosales, 2005)
19
Secundarios:
Estos tratamientos son predominantemente biológicos (aerobios, anaerobios o
combinación de ambos), ya que las bacterias degradan eficientemente la materia
orgánica disuelta, cabe mencionar, que para hacer la selección del tipo de reactor a
utilizar, hay que hacer una serie de evaluaciones del agua residual, como la carga
orgánica, el proceso del que proviene, contaminantes inorgánicos, por ejemplo.
(Delgadillo & Rosales, 2005)
Las diferentes tecnologías, del tipo aerobio, que actualmente existen son: reactor
biológico de lodos activados, reactor biológico secuencial, filtros aerobios, rotafiltros,
lagunas aireadas. En cuanto a los sistemas anaerobios existen los filtros anaerobios,
lagunas anaerobias (se utilizan solo como pretratamiento en los sistemas lagunares
ya que son un proceso en el que se sedimentan algunos sólidos, mientras hay
flotación de materiales y se encuentra biomasa suspendida), reactor anaerobio de
mezcla completa, tanques imhoff, fosas sépticas (estos últimos dos, cada vez se
utilizan menos debido a su baja eficiencia) y reactores UASB.
Terciarios:
Son consecutivos al tratamiento secundario, su objetivo es acondicionar el agua a su
uso final, o mejorar la calidad del agua tratada, como por ejemplo adsorción,
intercambio iónico, por membranas y electrodiálisis. (Delgadillo & Rosales, 2005)
Como ya se mencionó, hay variedad de tratamientos, y este proyecto estudia el
efecto de la sal en el tratamiento anaerobio, así como, las condiciones con las cuales
se puede obtener la mayor eficiencia de remoción de contaminantes y una buena
producción de biogás.
20
ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Hay tres etapas en la digestión anaerobia, dentro de las cuales el agua residual es
tratada, la primera etapa es la hidrólisis, en la que las moléculas orgánicas
complejas se descomponen en compuestos orgánicos de cadena corta.
La segunda etapa es la fermentativa es dividida en dos sub-etapas, una es la
acidogénica o acidogénesis, donde los compuestos producidos en la etapa uno son
degradados a moléculas de peso molecular intermedios como
azúcares,
aminoácidos, los AGV, alcoholes alifáticos, metilamina, amoniaco y sulfhídrico. La
siguiente etapa es llamada acetogénica, en está, los ácidos y alcoholes producidos
en la acidogénesis, son transformados, por la acción de las bacterias, en ácido
acético, hidrógeno y dióxido de carbono.
La tercera y última etapa es la metanogénica, consiste en la producción de metano
dióxido de carbono, por la acción bacteriana, y como producto secundario el dióxido
de carbono a partir del ácido fórmico y ácido acético, y a su vez del dióxido de
carbono, en hidrógeno y metano. (WASTE, 2013)
Reactores UASB
La abreviación U.A.S.B. se define como Upflow Anaerobic Sludge Blankett (Reactor
Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente). Es una tecnología proveniente
de Holanda y Bélgica, que utiliza biomasa para tratar agua residual, dentro de este
hay una separación de fases del agua tratada, gas producido y el mismo consorcio
bacteriano.
21
Ilustración 1: Esquema general de un reactor UASB
Esquema de un reactor UASB donde se muestran 4 zonas básicas.

Zona 1: Lecho de lodos.

Zona 2 Zona de contacto donde el agua residual entra en contacto con los
lodos activados.

Zona 3: Es la parte del tratamiento donde se separan las fases sólido, líquido
y gas.

Zona 4: Esta última es donde se extrae el agua tratada.
Los reactores anaerobios son equipos muy sensibles, las simples variaciones del
efluente y la carga orgánica pueden afectar directamente a la función de los mismos,
para evitar estos desequilibrios dentro del reactor, se deben controlar ciertos
parámetros. (Marjiorie Márquez Vázquez, 2011).
22
Parámetros a evaluar:
Son aquellos parámetros de control que se evaluarán para verificar el
funcionamiento óptimo del reactor, asegurándose así la eficiencia requerida.
Los parámetros de control usualmente utilizados son:

Temperatura.

Biogás.

Carga orgánica.

Alcalinidad.
Alcalinidad
Se entiende por alcalinidad a la capacidad del agua para neutralizar ácidos o aceptar
protones. Esta representa la suma de las bases que pueden ser tituladas en una
muestra de agua. Dado que la alcalinidad de aguas superficiales está determinada
generalmente por el contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, ésta se
toma como un indicador de dichas especies iónicas. No obstante, algunas sales de
ácidos débiles como boratos, silicatos, nitratos y fosfatos pueden también contribuir
a la alcalinidad.
La alcalinidad juega un papel importante dentro de la digestión anaerobia, puesto
que es una variable ambiental de la cual se tiene la necesidad de controlar, debido a
que esta mantiene la capacidad amortiguadora a los cambios de pH, debido a los
ácidos grasos volátiles (AGV) Según (Andrea Pérez, 2008)
23
“…La capacidad amortiguadora de la alcalinidad debida a los ácidos grasos volátiles
ocurre en la franja de pH entre 3.75 y 5.75, siendo por tanto de poca importancia en
un proceso anaerobio…”
Puede medirse con los índices de alcalinidad conocidos como índice tampón (IB),
índice alfa, e índice IA/AP. (Aguilar, 2002).
Índice alfa
Es una relación entre la alcalinidad bicarbonática y la alcalinidad total, se
recomiendan valores de 0.5 a 0.7 durante el arranque del reactor, fuera de estos
límites el sistema no funciona como debe, por lo que se tienen que monitorear los
parámetros de control como: temperatura, carga orgánica y el pH. (Andrea Pérez, 2008)
Relación del índice alfa con otros parámetros (temperatura, producción de
biogás, acidez (pH).
El índice alfa es un indicador común de que el reactor opera en condiciones
adecuadas, éste es una herramienta que refleja su comportamiento mediante la
relación entre los diferentes parámetros, por ejemplo, la temperatura con la
producción de biogás, según (Tchobanoglous et al., 1991) se menciona que entre menos
temperatura menos cantidad de bicarbonato de sodio se necesita para mantener un
pH de 7.0 y cierta concentración de CO2 en la fase gaseosa.
24
VIII. Plan de actividades
PROYECTO: "Seguimiento de un proceso anaerobio mediante análisis del índice de
alcalinidad α”
ALUMNA: Stephanie Edith Ruiz Islas
Actividad semanal
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
Revisión bibliográfica
Montaje del equipo
Recolección de muestras
Estudio de parámetros
de control
Determinación de índices
de alcalinidad.
Análisis de los datos
obtenidos
Interpretación de
resultados
Escritura de reporte
ASESOR: Dr. Adrián Rodríguez García.
25
12
13
14
15
16
IX.
Recursos materiales y humanos
MATERIALES:
 Vasos de precipitados 50 y
 Termómetro
 Papel parafilm
100 mL
 Matraz kitazato 100 mL
 Soporte Universal
 Probeta 50 mL
 Pinzas mariposa
 Bureta
 Frascos de vidrio 1000 mL
 Pizeta
 Bitácora
 Guantes de látex
REACTIVOS:
 Solución de Ácido Clorhídrico 0.1N.
 Soluciones Buffer
EQUIPOS
 pH metro portátil; marca: Lutron modelo YK-21PH
 Balanza Analítica; Marca: Acculab
 Campana de extracción; marca: Becomer de méxico
HUMANOS
 Asesor UTEQ M. en C. David Mora Villanueva
 Asesor CIDETEQ Dr. Adrián Rodríguez García
 Colega de Investigación M. H. Alain Ricardo Picos Benítez
 Colega de Investigación José Luis Rojas Bautista
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X.
Desarrollo del proyecto
Este proyecto está basado en la determinación de índice alfa para aguas
salobres, por lo que la principal actividad, es investigar sobre el tema y trabajos
afines para tener noción de lo que se está haciendo, plantear objetivos y metas.
RECOLECCIÓN DE MUESTRAS
Las muestras fueron recolectadas a la salida del reactor UASB (TRH 24h) en un
frasco de boca ancha de vidrio de 1L. Para el análisis de la muestra se necesitó
solo 50ml de muestra, colectada del frasco de boca ancha.
MONTAJE DE EQUIPO
Una vez tomadas las 24 muestras, se dispuso a montar el equipo para calcular
el índice alfa.
El montaje del equipo se hizo con un soporte universal, pinzas para bureta, se
utilizaron vasos de precipitado para colocar las muestras.
La calibración del potenciómetro (pH meter) se hizo con las soluciones buffer de
pH 4, 7 y 10.
27
Ilustración 2: Equipo de trabajo
Se colocaron 50 mL de cada una de las muestras en matraces Erlenmeyer de
100 mL para su valoración con ácido clorhídrico 0.1N, a pH 5.75 y 4.3
respectivamente para calcular los índices de alcalinidad, índice tampón (IB),
índice de alcalinidad, e índice alfa.
Se titulan las muestras con el HCl hasta un pH de 5.75, se registró el volumen
gastado y se continuó con la determinación de alcalinidad hasta un pH 4.3, se
registró el segundo volumen. Con los valores obtenidos se calcularon los
índices buscados.
Con los datos obtenidos se hizo una comparación, de los índices, con respecto
a los valores de eficiencia de remoción y biogás, para conocer los valores
óptimos de estos índices y conocer las condiciones ideales, para tratar
eficientemente este tipo de aguas residuales, utilizándolos como referencia en
futuros tratamientos.
28
Índices
Fórmulas
Tampón (IB)
𝐼𝐵 =
𝑉2
𝑉1 + 𝑉2
𝐴𝐼⁄ = 𝑉2
𝐴𝑃 𝑉1
Alcalinidad AI/AP
Alfa
α=
𝑉1
𝑉2 + 𝑉2
Tabla 3: Fórmulas de alcalinidad
XI.
Resultados obtenidos
La hoja de cálculo que se muestra a continuación, es la comparación entre los
parámetros de control monitoreados y el índice alfa calculado, partiendo de esto
se graficó: la salinidad, eficiencia, producción de biogás y la variación de la
temperatura a la entrada del reactor, esto para identificar las condiciones
ideales de operación del reactor.
29
Experimentos
pH
Índice
alfa
Remoción
(%)
Metano
(LCH4/g DQOrem.)
Bicarbonato
(g)
Temperatura
(°C)
Salinidad
(‰)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
8.80
8.10
8.60
7.30
7.40
7.50
7.20
6.90
6.90
7.40
7.40
7.50
8.60
7.20
7.30
7.60
7.60
7.40
6.90
6.80
6.30
5.20
6.40
7.20
0.83
0.84
0.79
0.66
0.60
0.62
0.55
0.41
0.40
0.61
0.61
0.68
0.68
0.55
0.61
0.64
0.63
0.60
0.46
0.35
0.19
0.00
0.15
0.279
82.72
80.58
88.18
95.19
73.75
77.75
83.97
72.03
61.70
72.90
67.10
78.90
76.22
74.50
89.01
85.84
77.74
83.75
84.68
84.84
86.23
71.92
41.38
74.25
0.0244
0.0280
0.0684
0.0075
0.0040
0.0124
0.0022
0.0237
0.0226
0.0067
0.0094
0.0109
0.0180
0.0254
0.0323
0.0317
0.0257
0.0081
0.0209
0.0021
0.0097
0.0044
0.0250
0.0055
33.12
40.14
40.57
40.25
34.00
34.00
26.00
28.00
28.00
30.00
29.00
23.00
24.00
25.00
26.00
19.10
18.00
18.00
9.00
4.00
4.00
4.00
6.00
6.00
20.4
16.6
17
18
32
30
32
27
23
24
27
28
27
27
28
27
21
22
22
22
32
32
26
28
11.4
12.2
18.1
15.1
12.3
11.9
19.9
13.1
11.3
9.5
11.7
11.5
13.2
11.0
14.1
11.5
14.2
19.4
17.4
15.7
15.7
15.7
10.6
13.0
Tabla 4: Registro y comparación de parámetros de control
30
A continuación, se muestran las gráficas elaboradas con el fin de identificar las
condiciones en las que la digestión anaerobia es eficiente para el tratamiento
del agua salobre.
0.08
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.07
0.06
Metano
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425
Experimentos
índice alfa
Comparación entre índice alfa vs producción de metano.
Metano
alfa
Gráfica 4: comparación gráfica de producción de metano e índice alfa
Para analizar la gráfica, se elegirán los puntos que mantengan las mejores
producciones de metano, así mismo, que los experimentos seleccionados
muestren en las gráficas condiciones óptimas de operación. Los mejores
valores encontrados se muestran en los experimentos 15 al 17.
31
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Índice alfa
Eficiencia
Comparación de eficiencia vs índice alfa
Eficiencia
Experimentos
alfa
Gráfica 5: comparación de la eficiencia del reactor vs el índice alfa
La gráfica 5, muestra una menor relación entre la eficiencia y el índice alfa, esto
para conocer de manera gráfica la relación que existe entre el índice alfa y
eficiencia, viendo así que mientras el índice alfa mantiene valores entre 0.55 y
0.65 la eficiencia se ve optimizada, pero si este desciende o aumenta, la
eficiencia cae.
35
0.9
30
0.8
0.7
25
0.6
20
0.5
15
0.4
0.3
10
índice alfa
Temperatura
Comparación temperatura vs factor alfa
0.2
5
0.1
0
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Experimentos
Gráfica 6: Comparación de la temperatura contra el índice alfa
32
T°C in
alfa
El gráfico 6 muestra que cuando la temperatura oscila entre los 22° y 27°C, el
índice alfa mantiene cierta estabilidad, por lo que, dentro de este rango de
temperatura, se siguen considerando los experimentos 15 al 17, sin embargo, el
experimento 16 hace notar que aunque la temperatura aumente hasta los 27°C
el índice alfa se mantiene, esto se da por la cantidad de bicarbonato de sodio
adicionado al reactor, es decir, muestra que entre menos bicarbonato de sodio
mejores condiciones de operación.
25
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Salinidad
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Experimentos
índice alfa
Comparación Salinidad vs factor alfa
S ‰in
alfa
Tabla 7: Comparación entre la salinidad y el índice alfa
Esta última comparación entre el índice alfa y la salinidad es para hacer notar
que la variación en la concentración salina afecta levemente al índice alfa,
puesto que se observa que, del punto 4 al 6, y del 11 al 17 se mantiene en un
rango de estabilidad, el índice alfa se comporta con cierta tendencia a dicha
estabilidad, pero cuando la concentración de la salinidad aumenta o disminuye
de tal rango los cambios de ven reflejados en el índice alfa.
33
Cabe mencionar, que para asegurarse de elegir bien el valor del índice alfa a
proponer, para aguas residuales salobres, se debe considerar el bicarbonato de
sodio añadido, a continuación, se muestra una tabla con los valores de
producción de metano, eficiencia, índice alfa, y bicarbonato de sodio añadido,
se resalta la importancia económica al agregar reactivos, por lo que la cantidad
mínima con una buena eficiencia y una alta producción de biogás es el valor
ideal.
Exp.
Bicarbonato
(g)
Índice
alfa
Metano
LCH4/gDQO
removido.
Eficiencia
(%)
Temp.
°C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
33.12
40.14
40.57
40.25
33.12
34.00
26.00
28.00
28.00
30.00
29.00
23.00
24.00
25.00
26.00
19.10
18.00
18.00
9.00
4.00
4.00
4.00
6.00
6.00
0.83
0.84
0.79
0.66
0.60
0.62
0.55
0.41
0.40
0.61
0.61
0.68
0.68
0.55
0.61
0.64
0.64
0.60
0.46
0.35
0.19
0.00
0.15
0.27
0.0244
0.0280
0.0684
0.0075
0.0040
0.0124
0.0022
0.0237
0.0226
0.0067
0.0094
0.0109
0.0180
0.0254
0.0323
0.0317
0.0257
0.0081
0.0209
0.0021
0.0097
0.0044
0.0250
0.0055
82.70
80.60
88.20
95.20
73.80
77.70
83.90
72.00
61.70
72.90
67.10
78.90
76.20
74.50
89.00
85.80
77.70
83.70
84.70
84.80
86.20
71.90
41.40
74.30
20.4
16.6
17.0
18.0
32.0
30.0
32.0
27.0
23.0
24.0
27.0
28.0
27.0
27.0
28.0
27.0
21.0
22.0
22.0
22.0
32.0
32.0
26.0
28.0
Tabla 8: comparación bicarbonato de sodio, producción de metano índice alfa
34
En la tabla 8 los tres experimentos 15-17 se pueden comparar, con referencia a
las cantidades agregadas de bicarbonato de sodio, puesto que además de
querer encontrar las condiciones adecuadas, se quiere tener el mínimo uso de
reactivos, ya que el estudio, por ahora, se realiza a nivel laboratorio, esto se
reflejará económicamente cuando el proyecto se maneje a gran escala.
Los valores considerados, son los obtenidos en los experimentos 15 a 17 donde
se obtuvo los mejores resultados, y en los cuales, hay buena producción de
metano, a una temperatura ambiente, sin embargo, el experimento que se
considera más viable y sobresaliente es el experimento 16, en referencia a las
cantidades adicionadas de bicarbonato de sodio, éste utiliza poco, a una
temperatura ambiente, además tiene una de las mejores eficiencias obtenidas
en la experimentación y una de producción de biogás alta, comparada con el
resto de los experimentos.
35
XII.
Conclusiones y recomendaciones
El objetivo se ha cumplido, puesto que se llegó a encontrar un valor del índice
alfa para tratamiento de aguas residuales salobres que de acuerdo a lo que se
quiere, encaja bien, se mantiene a una temperatura menor a 30°C, utiliza poco
bicarbonato de sodio, que era uno de los requerimientos desde un punto de
vista económico.
Después de estudiar cual es el valor del índice alfa con mejores resultados,
para ser utilizado como indicador de que el sistema de tratamiento anaerobio
para aguas salobres funciona adecuadamente, aunque el tiempo fue corto para
esta experimentación, se recomienda a las futuras investigaciones, ajustar los
parámetros de control para intentar replicar este, ya que se propone el valor de
índice alfa oscila entre 0.55- 0.65 y se verifique que es el ideal para este tipo de
aguas.
En el rango ya mencionado se encuentran eficiencias por encima del 75%, las
temperaturas sometidas en este intervalo se encuentran dentro del rango
mesofílico (20-34°C), por lo que las bacterias se ven beneficiadas, pero se
puede ver en la tabla 4 que entre menos temperatura, menos cantidad de
bicarbonato añadida, aunque la concentración salina incremente.
36
Entre las producciones de metano obtenidas, se encuentran dos de las mejores,
que son de 0.030 LCH4/g DQO removido, incluso de los experimentos con esta
producción de metano muestran una relación con la concentración salina, que
al verse incrementada hace que la producción de metano se vea inhibida.
37
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