Diseño de una EDARI con la tecnología AnMBR para una empresa confitera ubicada en la ciudad de Quito en Ecuador

Abstract

In the last decades the global environmental degradation that has been observed is the direct result of population increase, economic development based on industrialization and lack of foresight and control in the generation of pollutants that bring human development.

The water resource has been affected by the high demand for fresh water for human consumption and for use in industrial and agricultural processes, it is expected that by 2030 and with the current climate scenario the world faces a deficit of 40% of water. Between 2000 and 2050 industrial use of water will increase by 400% and most of this will occur in emerging economies and developing countries.

To make matters worse, the industrial sector is the one that most contaminates the resource, so about 70% of the hazardous waste generated in factories in developing countries is dumped in the water without any previous treatment, increasing even more the risks linked to the water deficit in these regions. In Ecuador only 8% of the wastewater generated has some level of treatment, mainly due to the lack of policies and regulatory bodies that are in charge of monitoring compliance with environmental regulations, as well as the lack of planning in environmental issues In municipalities as well as in the industrial sector. The Ecuadorian confectionery industry is a branch of industry that has a very important growth projection, with an average annual increase of 9% in sales, causing in the next few years to generate about 7 to 8% of Ecuadorian GDP according to estimates of the Bank Central of Ecuador. Despite this encouraging scenario in economic terms, the increase in production of this type of industry will have an increase in the amount of material used and waste generated.

In the production processes of confections, the generated effluents are usually the result of the cleaning that is done to the equipment used, however it is observed that they contain a high load of organic pollutants reflected as Chemical Oxygen Demand (COD) and Biological Demand Of Oxygen (BOD), which are accompanied by small amounts of cleaning products and dissolved solids. The presence of high values of COD and mainly of BOD represents an advantage for the use of biological purification processes for its treatment. One of the biological treatment strategies most used in industrial wastewater with high organic load is the application of anaerobic microorganisms in specialized reactors that guarantee the absence of oxygen. However, their use in large-scale treatment plants has been reduced, mainly due to the high cell residence times required for anaerobic bacteria to have an acceptable degradation efficiency compared to aerobic biological treatments. It was not until the 1970s that the development of anaerobic reactors designed with high-load retention systems opened the possibility of operating these with low hydraulic residence times (HRT) and high cell times, improving the efficiency of the process and Its feasible use.

In the anaerobic digestion the alkalinity is directly related to the capacity of the system to the accumulation of volatile fatty acids produced during the acidogenesis phase, which in case of being in excess can produce instability in the pH inside the reactor, provoking that the balance between acidogenic and methanogenic bacteria Is broken and the entire anaerobic process is affected. On the other hand, the presence of nutrients in the residual water will determine the growth of the bacteria of interest in the reactor, being fundamental its addition in case there is a lack in the residual water, being considered its deficit as a limiting factor in the growth of biomass.

Anaerobic membrane reactors (AnMBR) are high-load reactors where bacteria involved in the degradation process of organic matter are adhered to a support consisting of membranes from different materials, this allows the growth and development of microorganisms adapted to the type and quantity

Durante las últimas décadas la degradación ambiental global que se ha venido observando es el resultado directo del aumento poblacional, el desarrollo económico basado en la industrialización y la falta de previsión y control en la generación de contaminantes que acarrean el progreso humano.

El recurso hídrico se ha visto afectado por la alta demanda de agua dulce tanto para consumo humano como por su utilización en procesos industriales y agrícolas, se prevé que para el 2030 y en el escenario climático actual el mundo se enfrente a un déficit del 40%. A su vez, entre el año 2000 y 2050 el uso industrial de agua aumentará en un 400% y la mayor parte de esto se producirá en economías emergentes y en países en desarrollo.

Para agravar más el panorama el sector industrial es el que más contamina al recurso, de esta manera cerca del 70% de los desechos peligrosos generados en fábricas de países en desarrollo se vierten al agua sin ningún tipo de tratamiento previo, incrementando aún más los riesgos ligados al déficit de agua en estas regiones. En Ecuador tan solo el 8% de las aguas residuales generadas tienen algún nivel de tratamiento, debido principalmente a la falta de políticas y entes reguladores que se encarguen de monitorizar el cumplimiento de la normativa ambiental así como a la escasa planificación en cuestiones ambientales de municipios y del sector industrial.

La industria confitera ecuatoriana es una rama de la industria que presenta una proyección de crecimiento muy importante, con un incremento anual promedio de 9% en ventas, provocando que en los próximos años genere cerca del 7 a 8% del PIB ecuatoriano según estimaciones del Banco Central del Ecuador. Pese a este escenario alentador en términos económicos el incremento de producción de este tipo de industria repercutirá en un aumento en la cantidad de materia utilizada y de desechos generados.

En los procesos de producción de confites, los efluentes generados usualmente son el resultado de la limpieza que se realiza a los equipos utilizados, sin embargo se observa que contienen una alta carga de contaminantes orgánicos reflejados como Demanda Química de Oxígeno (DQO) y Demanda Biológica de Oxígeno (DBO), que se acompañan de pequeñas cantidades de productos de limpieza y sólidos disueltos. La presencia de valores altos de DQO y principalmente de DBO representan una ventaja para la utilización de procesos de depuración biológicos para su tratamiento.

Una de las estrategias de tratamiento biológico más utilizadas en aguas residuales industriales con alta carga orgánica consiste en la aplicación de microorganismos anaerobios en reactores especializados para garantizar la ausencia de oxígeno. Sin embargo su uso en plantas de tratamiento a gran escala ha sido reducida, debido principalmente a los altos tiempos de residencia celular necesarios para que las bacterias anaerobias presenten una eficiencia de degradación aceptable en comparación a tratamientos biológicos de tipo aerobio. No es hasta la década de los 70s en que el desarrollo de reactores anaerobios diseñados con sistemas de retención de alta carga abrieron la posibilidad de operar estos con bajos tiempos de residencia hidráulica (TRH) y altos tiempos celulares, mejorándose la eficiencia del proceso y haciendo su uso factible.

En la digestión anaerobia la alcalinidad está directamente relacionada con la capacidad del sistema a la acumulación de ácidos grasos volátiles producidos durante la fase de acidogénesis, los cuales en caso de encontrarse en exceso pueden producir inestabilidad en el pH dentro del reactor provocando que el equilibrio entre bacterias acidogénicas y metanogénicas se rompa y todo el proceso anaerobio resulte afectado. Por otro lado la presencia de nutrientes en el agua residual determinarán el crecimiento de las bacterias de interés en el reactor, siendo fundamental su adición en caso de que exis

[CA] La indústria d'elaboració de dolços a l'Equador és una branca de la indústria que presenta una projecció de creixement molt important, amb un increment anual mitjana de 9% en vendes, fet que provocarà que en els propers anys generi prop del 7 a 8% del PIB equatorià segons estimacions del Banc Central de l'Equador. Malgrat aquest escenari encoratjador en termes econòmics l'increment de producció d'aquest tipus d'indústria té una repercussió directa en l'augment de la quantitat de matèria utilitzada i de deixalles generades, així com en la generació d'aigua residual caracteritzada per presentar una alta càrrega de contaminants orgànics i baixes concentracions de nitrogen i fòsfor. Si es considera que a l'Equador tan sols el 8% de les aigües residuals generades tenen algun nivell de tractament, degut principalment a l'escassa previsió i interès en qüestions ambientals de municipis i del sector industrial és fonamental el desenvolupament d'estacions depuradores d'aigua residual que garanteixin que els efluents generats tinguin les característiques mínimes per al seu abocament i que no representin un risc ambiental. Actualment a la República de l'Equador es troba vigent el Text Unificat de Legislació Secundària del Ministeri de l'Ambient (TULSMA), on s'estableixen els límits màxims permesos per a la descàrrega d'aigua residual tant en el sistema de clavegueram públic com en cossos d'aigua dolça i marina considerant els paràmetres de DQO, DBO, pH, fòsfor total, nitrogen total, sòlids suspesos, entre altres que permeten plantejar estratègies de minimització i depuració de l'aigua residual amb l'objectiu de complir les directrius que estableix la legislació aplicable al país. En el present treball de fi de màster es va plantejar el disseny d'una estació depuradora d'aigües residuals industrials basat principalment en l'aplicació d'un reactor anaerobi de membranes, el qual va ser triat en funció de diversos estudis consultats. En aquests estudis es va veure que els tractaments secundaris aplicats a aquest tipus d'aigües residuals consistien en diferents sistemes anaerobis d'alta càrrega per a l'eliminació dels contaminants orgànics presents. Mitjançant el programa DESASS es va establir el disseny del tractament secundari triat així com la presa de decisions operatives necessàries per al correcte funcionament del sistema anaerobi per a la depuració de l'aigua residual d'una indústria confitera amb alta càrrega de DQO i DBO, baixa concentració de nitrogen i fòsfor i valors baixos de pH i alcalinitat. D'aquesta manera es va obtenir un reactor de membranes anaerobi de 1250 m 3 amb una configuració de membranes submergides externes, temps de residència cel·lular de 50 dies i una relació entre el cabal de recirculació i el d'entrada a les membranes de 3, tot això basat en l'optimització del procés en funció dels costos previstos per a aquest. D'altra banda es va observar la necessitat d'addicionar a l'aigua residual d'entrada en una concentració de nitrogen i fòsfor de 55 i 20 mg / l respectivament i realitzar un ajust de pH i alcalinitat. L'eficiència obtinguda del tractament plantejat va ser de 93% de remoció de DQO, 99% per DBO. Malgrat els alts percentatges d'eliminació de contaminants del tractament es va observar que els valors de DQO no complien amb el que estableix l'TULSMA per al seu abocament, per la qual cosa es va fer necessari plantejar l'aplicació d'un sistema d'electrocoagulació com a tractament terciari per assolir les característiques desitjades a la sortida de la EDARI dissenyada, per això es va considerar l'eficiència mínima de 81% d'eliminació de DQO al electrocoagulador per obtenir la qualitat requerida. Per al disseny de la EDARI total es va considerar per a la línia d'aigua la construcció d'un tamís per a l'eliminació de sòlids de grans dimensions a l'aigua, un tanc homogeneïtzador, dos tancs anaerobis connectats a dues unitats de membranes, un tanc de retrolavado i un sistema d'electrocoagulació. Per a la línia de fangs es va establir un filtre premsa i un dipòsit d'emmagatzematge de llots mentre que per a la línia de biogàs es va plantejar la instal·lació d'una microturbina per a l'aprofitament del metà produït en el procés anaerobi. L'anàlisi de costos realitzat a la EDARI dissenyada contemplar en primer lloc considerar els costos totals d'implementació de l'estació depuradora tant per a la construcció com l'equipament de la mateixa, observant-se que tant la construcció dels tancs anaerobis com la microturbina representen les despeses més alts en aquesta etapa. D'altra banda en fer una comparació dels costos de consum elèctric i consum de reactius químics es va concloure que tant el electrocoagulador com l'addició de bicarbonat de sodi com alcalinitzant presenten els majors valors. Per finalitzar es va realitzar una anàlisi comparativa del cost anual i per metre cúbic d'aigua residual tractada de les despeses associades a consum elèctric, consum de reactius químics per a neteja de membranes, alcalinització de l'aigua residual i com a nutrients i la quota d'amortització anual d'implantació de la EDARI, observant una despesa total de 153980.66 dòlars per any i 2.76 dòlars el metre cúbic d'aigua; però en considerar la producció d'electricitat mitjançant biogàs l'estació depuradora presenta una generació de 121217.82 dòlars anuals i 2.17 dòlars el metre cúbic; obtenint-una despesa total de l'EDARI de 32762.84 dòlars anuals i 0.59 dòlars el metre cúbic d'aigua tractada.