Tratamiento de Aguas Residuales

G.A.I.A GRUPO AMBIENTAL DE INVESTIGACION AVANZADA
Andrés Beltrán*, Martha Castellanos*, Arley Guevara*,
Lorena Lombana* .
*Estudiantes Ingeniería Ambiental, Semillero de Investigación GAIA, U.D.F.J.C
Contacto: [email protected] Tratamiento de Aguas Residuales
Concentración de la población en las áreas urbanas.
El sistema de alcantarillado unificado con el de aguas lluvia
Las PTAR como solución.
La generación de biosólidos por parte de las grandes PTAR colombianas ha propiciado la investigación de este tipo de materiales, con el fin de identificar la mayor cantidad de formas de aprovechamiento y garantizar así la sostenibilidad ambiental del tratamiento de las aguas residuales. En la actualidad, las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de Colombia generan 274 toneladas de biosólidos al día (94 toneladas base seca). El 97% de esta producción es generada por tres plantas: El Salitre (Bogotá), Cañaveralejo (Cali) y San Fernando (Medellín). Normatividad
RAS 2000. Resolución 1096 de 2000. Define el término “biosólido”
pero no reglamenta la gestión. Reglamento Técnico del Sector Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS 1998). Resolución 822 de 1998. Norma Técnica Colombiana NTC 5167 (31/05/2004): Materiales orgánicos utilizados como fertilizantes o acondicionadores de suelos. Proceso para los Lodos
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Extracción de Lodos Primarios
Espesamiento de lodos Primarios
Digestión
Deshidratación de Lodos Digeridos.
Digestión Mesófila Anaerobia
Los microorganismos bacterianos mesófilos anaeróbicos degradan los compuestos orgánicos dando como resultado un lodo digerido rico en nitrógeno, fósforo y potasio. El pH que deben tener los lodos no debe ser menor a un pH de 6.6 y mayor a 7.6. Si se acumulan ácidos orgánicos, estos microorganismos se inhiben y no funciona el tratamiento primario. Variables que influyen en el proceso
•Temperatura: Optima de funcionamiento alrededor de los 35 °C
•Acidez: pH óptimo oscila entre 6,6 y 7,6
•Contenido en sólidos: se suele operar en mejores condiciones con menos de un 10% en sólidos, lo que explica que la biomasa más adecuada sea la de alto contenido en humedad
•Nutrientes: para el crecimiento y la actividad de las bacterias, éstas tienen que disponer de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y algunas sales minerales
•Tóxicos: aparte del oxígeno, inhiben la digestión concentraciones elevadas de amoníaco, sales minerales y algunas sustancias orgánicas como detergentes y pesticidas
Reacciones Involucradas
Estabilización del pH en biodigestores en la PTAR Salitre
Estabilización química: es aquella que se realiza por la adición a los lodos de productos químicos que los inactivan generalmente se usa cal que aumenta el pH, lo que dificulta la acción biológica de los lodos; favoreciéndose la liberación de amoniaco (le quita valor fertilizante al lodo).
La cal hidratada presenta desventajas frente a sustancias buffer: fisicoquímicas, ambientales y económicas.
Se propone implementar fosfatos para estabilizar el pH en los biodigestores.
Soluciones amortiguadoras o buffer
Su concentración de hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes.
Especie ácida: Neutraliza hidroxilos (OH‐) Especie básica: Neutraliza los protones (H+).
Ácido débil HX H+ + X‐
Sal derivada MX M+ + X‐
Preparación de soluciones buffer
Se pueden preparar dos tipos de amortiguadores :
Ácidos: ácido débil + base conjugada.
Básicos: base débil + ácido conjugado.
La concentración de acido y base deben ser cercanas:
pKa=pH
pKa= 2.12
pKa= 6,8
pKa= 12,66
El ácido fosfórico es triprótico y, por lo tanto, disocia en tres etapas:
Especie de fosfato con capacidad de tamponar: H2PO4‐ , pK=6,8. Sustancias utilizadas:
•Fosfato monoácido de potasio (k2HPO4).
•Fosfato diácido de sodio (NaH2PO4 ).
pKa=6,8
pH deseado: 6.8
Nombre
Gramos
requeridos
Fosfato monoacido de
potasio
184,56
fosfato diacido de
sodio
119,489
Gramos para preparar solución buffer
Cantidad de sustancia buffer a aplicar en los reactores de la PTAR salitre:
3.0ml de Ca(OH)2 /10.0ml sustancia buffer = 0.3
Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte
Valoración de un ácido débil poliprótico
Ton sustancia buffer= 2.3 ton de Ca(OH)2 * 0.3= 0.609 toneladas de sustancia buffer mensuales
Nombre
Cantidad aplicada al mes en los
biodigestores. (Ton)
Sustancia buffer
0.609
Cal
2.03
Determinación de la cantidad de fosfatos en el lodo por la adición de la sustancia buffer:
Número de moles de fosfato formados:
NaH2PO4 + K2HPO4
+3
+
3H + 2PO4
2 moles de PO4+3 por una mol de NaH2PO4 y de K2HPO4.
Revisión de fuentes Bibliográficas y Normatividad lodos. Planteamiento del problema.
Diseño preliminar de método para caracterización y evaluación de lodos. Evaluación de parámetros fisicoquímicos y microbiológicos del lodo en estado inicial y al agregar la sustancia Buffer. Construcción de modelo de simulación molecular para resultados esperados
Análisis cualitativo y estadístico de resultados con posibles propuestas para optimización y utilización del lodo Elaboración de documento para publicación y soporte unificado de implementación de método para Ingeniería Ambiental
Ventajas y desventajas ambientales‐
económicas
Hidróxido de calcio (cal hidratada):
Revisión constante de la acidez.
Cal: requiere 32% de su peso en agua ser hidratada (consumo excesivo de agua).
Puede producir espuma.
Fosfatos dibásico de potasio, Fosfato Monosódico:
No produce efectos graves sobre los medios acuáticos.
Absorbidos por plantas y utilizados con nutrientes esenciales.
Atrae metales pesados. Forman precipitados (Ca y Mg)que se convierten en parte del suelo o sedimento.
Precio menor al de sustancias buffer.
mas costoso que la cal hidratada Evaluación coste‐beneficio
VENTAJAS ADICIONALES:
El biosólido que sale de la planta posee fosfatos uno de los nutrientes inorgánicos requeridos por plantas y microorganismos.
Aprovechamiento del biosólido como fertilizante agrícola:
Las plantas absorben únicamente el fósforo en forma de HPO4‐2 (ión fosfato monoácido) y H2PO4‐1 (ión fosfato diácido). Resultados esperados
1.Evaluación fisicoquímica, biológica y económica del funcionamiento de la sustancia buffer de fosfatos dentro del biodigestor.
2. Diseño de método que permita registrar propiedades fisicoquímicas y biológicas del lodo provenientes de la PTAR para su posterior clasificación en tipo A o B según la norma colombiana y la 40CFR‐503 de la EPA para disposición agrícola. 3. Creación de modelos que permitan simular procesos de reconversión de sustancias dentro del ecosistema (Modelación Molecular Ambiental),