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UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
CARRERA. INGENIERIA QUIMICA
TITULO: Aplicación del Lombrifiltro para Tratamiento de Aguas Residuales
Autor:Sabina Sonia Coca Chavez
Fecha de defensa: 12 de Noviembre de 2008
Construcción del Lombrifiltro, Diseño experimental, Estudio cinético, optimización y
dimensionamiento.
Asesor o Tutor de la tesis: MSc. Ing. Felipe Coronado Pando
Nº de páginas de la tesis: 166 páginas
RESUMEN
El presente trabajo de investigación desarrolla un estudio de la Aplicación del
Lombrifiltro para Tratamiento de aguas Residuales urbanas, el estudio tiene carácter
exploratorio experimental, orientado a evaluar la fenomenológia del proceso en base de la
cinética, considerando las variables más significativas.
Para poder cumplir el problema planteado, para el estudio se seleccionan las aguas
residuales de la ciudad de Oruro, verificado la caracterización de los principales
parámetros, se desarrolla el cultivo de lombriz Roja Californiana, eisenia foétida, se
desarrollan pruebas experimentales preliminares de adaptación al cultivo, se realiza la
selección y caracterización del soporte y sustrato, aserrín de madera blanca y compost de
estiércol vacuno, para el estudio del proceso en base de antecentes disponibles,
considerando el sistema Tohá, que representa la aplicación de los lombrifiltros, se realiza
la elaboración de la fundamentación teórica de la investigación, aplicando por similitud la
teoría de los filtros biológicos percoladores.
De la revisión teórica y el análisis del proceso se establecen las principales variables de
aplicación, que consideran la DBO5, como variable del proceso respecto de la carga
orgánica, la influencia del caudal, que expresa la carga hidráulica, y la densidad de
siembra de lombrices, como variable de crecimiento del cultivo. En base a las pruebas
experimentales preliminares, se desarrollan criterios para el diseño y construcción del
prototipo experimental aplicado a la investigación.
Se realizan pruebas experimentales, en base de un arreglo experimental de tres niveles
para las variables seleccionadas, para determinar la cinética del proceso y la aplicación
del modelo matemático empleado en filtros percoladores. La evaluación experimental y
sistematización de datos permite establecer las constantes cinéticas del proceso, como
resultado se obtienen los valores óptimos, que corresponden a una densidad de siembra
de 214 lombrices, para un caudal de 18,92 l/d, con un tiempo de residencia de 9,6 días,
para una remoción 96,5%, resultados que son contrastados con una prueba en blanco,
considerando el sistema como un biofiltro convencional, que permite establecer que la
incorporación del cultivo de lombriz mejora significativamente la remoción en el tratamiento
del agua residual.
En base a los resultados de las pruebas experimentales, se desarrolla una aplicación para
el dimensionamiento de instalaciones, seleccionando la localidad de Machacamarca. Para
la proyección de la población al año 2025, se establece un caudal de diseño de 288 m3/d,
con una concentración de diseño de 302 mg/l de DBO5, se realiza la evaluación y
dimensionamiento del lombrifiltro, mediante el método NRC, aplicando una recirculación
del 70% del agua tratada, con un área de 997 m2 y una altura de lecho de 0.937 m, para
una remoción de 92,8%, que satisface los requerimientos de su implantación. La
aplicación incluye criterios de dimensionamiento de las instalaciones complementarias.
Para el desarrollo del proyecto, se establecen las siguientes conclusiones:
La aplicación de Lombrifiltros obedece ala proceso de depuración de aguas residuales, en
el cual el cultivo de lombrices mejora la eficiencia de la remoción y reduce la producción
de lodos, como producto del proceso, se tiene la reducción de carga orgánica del agua
residual, al mismo tiempo obtiene la producción de humus.
En base de las pruebas preliminares se realiza la especificación del tratamiento, para este
efecto se construyen y desarrollan tres lombrifiltros en paralelo. Aplicando el equipo
experimental y la selección de parámetros, se realizan las pruebas experiemntales,
mediante un arreglo experimental de 9 pruebas.
De la prueba en blanco se observa que el proceso de depuración en el biofiltro se
representa en cuatro fases, una fase de adaptación de 5 días, una fase de crecimiento y
remoción, de 10 días; una fase de redilución, con el incremento de la DBO 5, con una
duración de 3 días, y la fase de remoción secundaria.
De las pruebas experimentales se observa que la inclusión del cultivo de lombrices mejora
la eficiencia del proceso de depuración, respecto de la prueba en blanco, se establece que
los mejores niveles de remoción se presenta para caudales bajos, que presentan al mismo
tiempo mayor inestabilidad y tendencia de falla del sistema, también se observa la
influencia de la densidad de siembra en el proceso, que permite mejorar el nivel de
remoción de la materia orgánica.
Para el estudio de la cinética del proceso, se aplica el modelo propuesto para filtros
percoladores, que supone un modelo de flujo pistón y tasa de remoción de primer orden.
En base de la relación entre las constantes cinéticas y las variables aplicadas, se
establecen una relación empíricas que se ajustan a ecuaciones de 2do. orden, que se
emplean para determinar los valores óptimos tanto de la densidad de siembra de 214
lombrices y caudal 18.92 l/d.
Complementariamente se realiza la evaluación de la tasa de remoción se realiza una
comparación entre la tasa de remoción en base de la expresión cinética, la tasa de
remoción de la prueba en blanco y la tasa de remoción de la prueba del lombrifiltro, de la
comparación se establece que el cultivo de lombrices, mejora el rendimiento del biofiltro en
un rango de 49 al 67%.
Se realiza una evaluación de la tasa de crecimiento del cultivo de lombrices, aplicando
relaciones empíricas, se establece la relación de la tasa de crecimiento con las variables
consideradas, de estas relaciones se establecen las condiciones de cultivo óptimas que
representa valores ligeramente diferentes que para la remoción de la materia orgánica,
siguiendo el proceso similar, se establece que para las condiciones óptimas de remoción,
la tasa de crecimiento de la población de lombrices alcanza a 9% en un periodo de 10
días.
Para aplicar los resultados alcanzados en la investigación, en el marco proyectivo, se
selecciona la población de Machacamarca, en base a la teoría de los filtros percoladores,
se realiza la selección de filtro, que corresponde a biofiltro horizontal, se evalúa los
métodos de dimensionamiento aplicados a biofiltros y se selecciona el método NRC.
De las especificaciones del proyecto, se aplican los resultados de la cinética del proceso,
se establece el dimensionamiento sin recirculación que alcanza a una altura de 2.57 m,
presenta problemas de nitrificación.
Para el dimensionamiento del lombrifiltro, aplicando recirculación del agua tratada, se
corrige las ecuaciones del método NRC, y se realizan los balances correspondiendo,
estableciendo el dimensionamiento del lombrifiltro con un volumen de 934,12 m3 y un área
de 997.25 m2, con una altura del sustrato-soporte de 0,93 m y una altura total de 1,6 m,
con una recirculación del 70% del agua tratada. Para estas condiciones se requiere una
siembra de 32571 Kgr de lombrices.
De la evaluación comparativa del dimensionamiento se establece que el lombrifiltro
representa una alternativa de menor volumen frente a los sistemas de lagunas de
estabilización, representando una mejor ventaja; por otra parte, se compara con
instalaciones desarrolladas en El Melón, Chile.
De los alcances del proyecto y sus limitaciones, se establecen las siguientes
recomendaciones:
Es necesario el desarrollo de modelos específicos, en base de la fenomenología del
lombrifiltro, que responde a un ecosistema creado, que permita superar las limitaciones del
estudio en base a la similitud con los biofiltros convencionales. En este contexto es
necesario desarrollar una modelación ambiental del ecosistema involucrado, que involucre
el estudio de la influencia de las variables no consideradas, en particular la influencia de la
temperatura del proceso.
Se debe investigar un modelo orientado al crecimiento del cultivo de la lombriz.
Es necesario abordar la investigación en diferentes escalas, superando las limitaciones
experimentales de la investigación.
Finalmente, el dimensionamiento propuesto debe ser completado con las unidades
convencionales descritas y con el diseño estructural.