Comparación de dos sistemas de tratamientos anaerobios de aguas residuales de características homogéneas para escuelas ubicadas en áreas rurales con sistema de tratamiento preliminar
Comparison of two anaerobic treatment systems of wastewater with homogeneous characteristics for schools located in rural areas with preliminary treatment systems
Revista Colón Ciencias, Tecnología y Negocios
Universidad de Panamá, Panamá
ISSN-e: 2313-7819
Periodicidad: Semestral
vol. 9, núm. 1, 2022
Recepción: 13 Agosto 2021
Aprobación: 19 Noviembre 2021
Resumen: En la República de Panamá existen muchos colegios que se encuentran en áreas rurales en los cuales no se cuenta con sistemas de alcantarillado municipal. Muchos contratistas de proyectos toman como referencia el sistema de tanque séptico como el sistema primario más versátil en cuanto a manejo de plantas de tratamiento de aguas residuales. Este estudio presenta una modelación comparativa entre un sistema de tratamiento de Tanque Imhoff y el sistema de reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodo para escuelas. Los resultados establecen que el segundo sistema de tratamiento es económicamente más eficiente teniendo una ventaja del 48% en cuanto a costo de construcción por metro cuadrado, un 2% menos que el primer sistema (Tanque Imhoff), y una ventaja como sistema anaerobio en la remoción de sólidos con un 76.7% (87.11 mg/L) de capacidad.
Palabras clave: Tratamiento de aguas residuales, afluentes, reactor UASB, tratamiento anaeróbico, tanque Imhoff.
Abstract: In the Republic of Panama there are many schools located in rural areas where there are no municipal sewage systems. Many project contractors take as a reference the septic tank system as the most versatile primary system in terms of wastewater treatment plant management. This study presents a comparative modeling between an Imhoff Tank treatment system and the Upflow Anaerobic Sludge Blanket Sludge Reactor system for schools. Results indicates that the second treatment system is more economically efficient having an advantage of 48% in terms of construction cost per square meter, 2% less than the first system (Imhoff Tank) and an advantage as an anaerobic system in the removal of solids with 76.7% (87.11 mg/L) of capacity.
Keywords: Waterwaste treatment, tributaries, UASB reactor, anaerobic treatment, Imhoff Tank.
Introducción
Ciertas localidades rurales dentro de la República de Panamá cuentan con poblaciones no mayores a 2,692 habitantes según estadísticas basadas en el último censo nacional del año 2010. (Instituto Nacional de Estadística y Censo, 2010)
Si bien es cierto que en diversos proyectos de construcción y mantenimiento de colegios y centros educativos a nivel superior es común que los tratamientos de aguas sean prácticamente del mismo tipo en muchas de las especificaciones técnicas a los trabajos a realizar, estos carecen de opciones anaerobias. Para ello se realiza esta investigación comparativa para promover otras opciones en el manejo de las aguas residuales con características domesticas a beneficio de estas comunidades, y para ello se opta por estudiar en este caso un centro escuela básico general (C.E.B.G.) que en la actualidad cuenta con 13 salones, una población estimada de 600 personas y una extensión de escolaridad primaria y pre-media.
Para cumplir con dichos requerimientos, se realiza la comparativa de dos sistemas de tratamiento de aguas residuales anaerobios como lo son el Tanque Imhoff y el Reactor U.A.S.B. (Upflow Anaerobic Sludge Blanket, por sus siglas en inglés), en los cuales se da un proceso microbiológico complejo que se realiza en ausencia de oxígeno, donde la materia orgánica es transformada a biomasa y compuestos orgánicos, la mayoría de ellos volátiles. Aunque es un proceso natural, sólo en los últimos veinticinco años ha llegado a ser una tecnología competitiva en comparación con otras alternativas. Esto ha sido posible gracias a la implementación de sistemas que separan el tiempo de retención hidráulico (TRH), del tiempo de retención celular (TRC) los cuales han sido denominados reactores de alta tasa. Durante este proceso también se obtiene un gas combustible (biogás) y lodos con propiedades adecuadas para ser usados como bioabonos (Bermúdez, Rodríguez, Martínez & Terry, 2003).
Ambos sistemas poseen diferentes ventajas y desventajas (OPS, 2005; Gandarillas, Saavedra, Escalera & Montoya, 2017), las cuales son presentadas en las Tablas 1 y 2.
| Tanque Imhoff | Reactor U.A.S.B. |
| Contribuye a la digestión de lodo, mejor que en un tanque séptico, produciendo un líquido residual de mejores características. No descargan lodo en el líquido efluente, salvo en casos excepcionales. El lodo se seca y se evacúa con más facilidad que el procedente de los tanques sépticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad. Tiene un bajo costo de construcción y operación. Son adecuados para ciudades pequeñas y para comunidades donde no se necesite una atención constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos requisitos para evitar la contaminación de las corrientes. | Es un proceso generador de energía (productor de CH4), en lugar de un consumidor energético, como la mayoría de los procesos de depuración de aguas residuales. No requiere de ningún tipo de soporte para la retención de biomasa, ni agitación mecánica. Es un proceso sencillo en cuanto a su operación y mantenimiento. Sus dimensiones pueden tener gran variabilidad, por lo que puede ser aplicado a proyectos de pequeña y gran escala. |
| Tanque Imhoff | Reactor U.A.S.B. |
| Son estructuras profundas (>6m). Es difícil su construcción en arena fluida o en roca y deben tomarse precauciones cuando el nivel freático sea alto, para evitar que el tanque pueda flotar o ser desplazado cuando esté vació. El efluente que sale del tanque es de mala calidad orgánica y microbiológica. En ocasiones puede causar malos olores, aun cuando su funcionamiento sea correcto. | Los efluentes de los reactores UASB necesitan usualmente un tratamiento adicional para eliminar la materia orgánica remanente, los nutrientes y los patógenos. Para aguas residuales no domésticas requiere de un inóculo para su funcionamiento inicial y de no tener uno adecuado, su arranque es lento. Para aguas residuales domésticas no es necesario el inóculo para arrancar, aunque el tiempo es mayor, del orden de 8 meses. Puede presentar escape de gases debido a fallas de ventilación o sobrecargas, por lo que genera malos olores. Al ser un proceso biológico, es sensible a la temperatura del agua residual y a cambios bruscos de pH fuera del intervalo de 6.5 a 7.5. |
Dicho esto, se procede a realizar una comparación objetiva de la eficiencia entre el Tanque Imhoff y el Reactor U.A.S.B., como sistemas de tratamiento de aguas residuales, mencionando las ventajas y desventajas más significativas de cada sistema.
Metodología
Para iniciar con el análisis comparativo entre el sistema de tratamiento de tanque Imhoff y el reactor UASB, se dimensiona para estos un mismo sistema preliminar que cuenta con un sistema de rejas y un sistema de desarenador debido a que ambos sistemas requieren de dicho tratamiento antes de ir al proceso del tratamiento primario. Este tratamiento primario cuenta con una población de 600 habitantes que involucra estudiantes, profesores y administrativos del plantel.
Para el tanque Imhoff se procedió a calcular las principales variables de diseño según el manual de la Organización Panamericana de la Salud (OPS, 2005b) con un tiempo de retención de 2 horas, del mismo modo para el Reactor U.A.S.B., se calcularon las variables de diseño tomando un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 9 horas y basando todos los requerimientos en las Normas Técnicas para Aprobación de Planos de los Sistemas de Acueductos y Alcantarillados Sanitarios (IDAAN, 2006a; IDAAN, 2006b), Norma DGNTI-COPANIT 39-2000 (MICI, 2000) y la Norma DGNTI-COPANIT 35-2019 (MICI, 2019) . Para ambos tanques, el consumo per cápita según el Instituto de Acueductos y Alcantarillados Nacionales para las zonas rurales de 80 gal/persona por día, un valor de 80 % de contribución de aguas servidas, el factor de máxima (F) utilizado fue de 6.46 hab-0.152.
Luego de conocer las variables se procedió al cálculo del caudal medio, con dicho caudal se obtuvieron datos como el área del sedimentador y con el tiempo de retención de 2 horas y el caudal medio se obtuvo el volumen del sedimentador, para proceder a calcular las dimensiones de ancho y largo del sedimentador, todo esto para el tanque Imhoff, y de igual forma el dimensionamiento y eficiencia del Reactor U.A.S.B.
La metodología utilizada para el diseño del paralelepípedo (cubo) del tanque Imhoff es una relación de largo / ancho = 4.
| Variables | Valores del tanque Imhoff | Valores del reactor UASB |
| Habitantes o población | 600 personas | 600 personas |
| Tiempo de retención | 2 horas | 9 horas |
| Consumo per cápita | 80 gal/personas*día | 80 gal/personas*día |
| Contribución de aguas servidas | 80 % | 80 % |
| Factor de máxima | 2.44 | 2.44 |
| Profundidad inicial para tratamientos primarios | 4.41 m | 4.5 m |
| DQO afluente | 700 mg/L | |
| Relación DQO/DBO5 | 1.875 |
Como se realiza comparación entre los dos tipos de tanques, las variables de caudal medio del tanque Imhoff y el reactor U.A.S.B. son iguales, por lo que se procede al cálculo de los caudales máximo diario y horario para la zona rural, para así calcular la carga de afluente medio. Una vez calculado lo mencionado con ayuda de los caudales medios y el tiempo de retención se procedió a calcular el volumen total requerido para ambos sistemas de tratamiento primario.
Resultados
Se presentan los resultados en cuadros comparativos, los cuales presentan los dimensionamientos del tanque Imhoff y el reactor UASB. En la Tabla 4, se puede observar el cálculo del caudal medio 354.442 m3/día en el tanque Imhoff, con este valor se obtuvo el valor del volumen del sedimentador 29.537 m3, el volumen del digestor 21 m3 y área de almacenamiento de lodos 99.687 m3 obteniendo un volumen total de 150 m3.
| Variables | Valores del tanque Imhoff | Valores del reactor UASB |
| Caudal Medio | 354.442 m3 /día | 354.442 m3 /día |
| Largo | 7.69 m | 5.43 m |
| Ancho | 4.42 m | 5.43 m |
| Profundidad | 4.41 m | 4.5 m |
| Volumen Total | 150 m3 | 132.912 m3 |
| Volumen del Sedimentador | 29.537 m3 | |
| Volumen de digestión | 21 m3 | |
| Volumen de almacenamiento de lodos | 99.687 m3 | |
| Caudal máximo diario | 36.920 m3 /h | 36.920 m3 /h |
| Caudal máximo específico | 59.072 m3 /h | 59.072 m3 /h |
| Carga del afluente medio | 248.11 𝑘𝑔*𝐷𝑄𝑂/día | |
| Cálculo de COV | 1.87 𝑘𝑔*𝐷𝑄𝑂/ 𝑚3*día | |
| Cálculo de CHV | 2.67 𝑚3/ 𝑚3*día | |
| Velocidad media | 0.5 m/hora | |
| Velocidad máxima específica | 2 m/hora | |
| Cantidad de difusores | 15 | |
| Área del reactor | 29.54 m2 |
Una vez diseñados ambos sistemas y utilizando una relación de largo / ancho = 4 se obtuvo el dimensionamiento del primer sistema de tratamiento primario (tanque Imhoff), obteniendo los siguientes valores: largo de 7.69 m, ancho de 4.42 m, profundidad de 4.41 m y volumen total de 150 m3.
Para los mismos valores de caudal medio = 354.442 m3 /día, con un valor de DQO homogéneo de 700 mg/L como lo dicta el Reglamento Técnico DGNTI-COPANIT 39-2000 y un tiempo de retención de 9 horas se obtuvo el volumen del segundo sistema de tratamiento primario (Reactor U.A.S.B.), el cual corresponde a 132.912 m3 para un área de 29.54 m2 lo que representa un dimensionamiento con los siguientes valores: largo 5.43 m, ancho 5.43 m y una altura de 4.5 m.
Con esto se comparan los valores de dimensiones, y se obtiene que mientras el Tanque Imhoff para la misma población requiere de 150 m3 el Reactor U.A.S.B., requiere de 132.912 m3, esto implica que como sistema de tratamiento primario el Reactor U.A.S.B., es aproximadamente 0.89 veces más pequeño que el tanque Imhoff, siendo este último 11% más grande que el Reactor U.A.S.B., tal como muestra la Figura 1.
De la figura anterior relativa a la comparación de los sistemas de dimensionamiento, se considera para la construcción un espesor constante de concreto de 0.25 m, dentro de las paredes que conforman dichos sistemas, obteniendo los resultados que se presentan en la Tabla 5 y Figura 2.
| Volumen de Concreto | Tanque Imhoff | Reactor U.A.S.B. |
| Fondo | 8.500 m3 | 7.371 m3 |
| Paredes Laterales | 16.956 m3 | 12.218 m3 |
| Paredes Transversales | 9.746 m3 | 12.218 m3 |
| Tapa | 8.5001 m3 | 7.371 m3 |
| Total | 43.702 m3 | 39.178 m3 |
Al analizar los resultados comparativos sobre el peso y costo totales existente entre el sistema de tanque Imhoff y el Reactor U.A.S.B., se establece una relación de 1.237 sobre el peso total del segundo modelo con respecto al primero con respecto al grado porcentual de acero dado en toneladas; caso contrario a los costos por metro cuadrado donde el Reactor U.A.S.B. muestra una relación de 0.905, con respecto al tanque Imhoff, tal como muestran las Tablas 6 y 7.
| Peso Total (Ton) | Tanque Imhoff | Reactor U.A.S.B. |
| 0.1858 | 0.2299 | |
| Relación | 1.237 | |
| Costo (B/./m²) | Tanque Imhoff | Reactor U.A.S.B. |
| 485.66 | 439.73 | |
| Relación | 0.905 | |
El análisis determina que la relación de material y costo para la construcción de ambos sistemas es más rentable. La construcción de la segunda propuesta (Reactor U.A.S.B), debido a que posee menor volumen; sin embargo, ambos sistemas son viables para escuelas y centros básicos que presenten características similares al centro básico general de estudio en este caso.
Conclusiones
De los resultados comparativos para la misma población y características de aguas residuales se obtiene que, en cuanto a dimensionamiento el tanque Imhoff y el Reactor U.A.S.B., tienen dimensiones muy similares, por tanto, ambos sistemas representan una viabilidad como sistema de tratamiento primario para escuelas en áreas rurales.
La comparación entre volúmenes de concretos entre un tanque Imhoff y un Reactor U.A.S.B. implica que los costos de ambos sistemas, como sistema de tratamiento primario, lo hacen funcional como medida de costo.
En cuanto a ventajas y/o desventajas, la eficiencia de los sistemas de tratamiento bajo condiciones de aislamiento y ubicación en relación con la comunidad educativa, el Reactor U.A.S.B., resulta ser de beneficio debido a que es una cámara totalmente encerrada a diferencia del tanque Imhoff que es una cámara abierta. Estudios previos comparativos de ambos sistemas a niveles municipales muestran las oportunidades y beneficios que ofrecen el sistema de Reactor U.A.S.B. (Salazar et al., 2019; Unigarro et al., 2014).
Referencias Bibliográficas
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Gandarillas, V. R., Saavedra, O., Escalera, R., & Montoya, R. (2017). Revisión de las Experiencias en el Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas Mediante Reactores UASB en Cochabamba-Bolivia Comparadas con las de Latinoamérica, India y Europa. Revista Investigación & Desarrollo, 1(17), 87.
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Ministerio de Comercio e Industrias – MICI. (2000). Reglamento Técnico DGNTI-COPANIT 39-2000 - Descarga de efluentes líquidos directamente a sistemas de recolección de aguas residuales. Dirección General de Normas y Tecnología Industrial, Panamá.
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Salazar, L. L., Uribe, G. L., Gómez, T. L. & Zafra, M. C. (2019). Analysis of the Efficiency of UASB Reactors in a Municipal Wastewater Treatment Plant, DYNA. 86(209), 319-326.
Unigarro, G. J., Zambrano, H. R. & Gallo, S. C. (2014). Caracterización y Modelación del Comportamiento Hidráulico de un Reactor UASB. Revista EIA, 11(22), 67-75.
Notas de autor
