Tesis tratamiento de aguas residuales

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Tesis tratamiento de aguas residuales

  1. 1. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓGICO DE LOS TANQUES DEECUALIZACIÓN, ACIDIFICACIÓN Y CORRIENTE DE SALIDA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA CERVECERA DE BOGOTA D.C. MÓNICA MOYA MORENO MÓNICA ADRIANA RODRÍGUEZ PINZÓN PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA Facultad de Ciencias Carrera de Microbiología Industrial Bogotá, D.C; 2000 1
  2. 2. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓGICO DE LOS TANQUES DEECUALIZACIÓN, ACIDIFICACIÓN Y CORRIENTE DE SALIDA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA CERVECERA DE BOGOTA D.C. TRABAJO DE GRADO Presentado como requisito parcial Para optar al título de MICROBIOLOGO INDUSTRIAL María Mercedes Martínez Directora Isabel Cristina Gutiérrez Coodirectora PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA Facultad de Ciencias Carrera de Microbiología Industrial Bogotá, D.C; 2000 2
  3. 3. “La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus tesis de grado” Artículo 23 de la Resolución No. 13 de Julio de 1946 3
  4. 4. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓGICO DE LOS TANQUES DEECUALIZACIÓN, ACIDIFICACIÓN Y CORRIENTE DE SALIDA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA CERVECERA DE BOGOTA D.C. MÓNICA MOYA MORENO MÓNICA ADRI ANA RODRÍGUEZ PINZÓN_______________________________ ________________________Dra. AURA ROSA MANASCERO Dr. CARLOS CORREDOR Directora de la Carrera de Decano Académico Microbiología Industrial Facultad de Ciencias PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA DE MICROBIOLOGIÍA INDUSTRIAL Bogotá, D.C; 2000 4
  5. 5. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓGICO DE LOS TANQUES DEECUALIZACIÓN, ACIDIFICACIÓN Y CORRIENTE DE SALIDA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA CERVECERA DE BOGOTA D.C. Dra. MARÍA MERCEDES MARTÍNEZ DIRECTORA Dra. ISABEL CRISTINA GUTIÉRREZ COODIRECTORA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA DE MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Bogotá, D.C; 2000 5
  6. 6. 6
  7. 7. DIAGNÓSTICO MICROBIOLÓGICO DE LOS TANQUES DEECUALIZACIÓN, ACIDIFICACIÓN Y CORRIENTE DE SALIDA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA CERVECERA DE BOGOTA D.C. Dra. SANDRA BAENA JURADO Dr. MANUEL EDUARDO RUIZ JURADO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA DE MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Bogotá, D.C; 2000 7
  8. 8. A Dios, a mis padres y a mi hermano quienes hansido el más grande aliciente en mi carrera. Mónica Moya MorenoA mis padres y hermanas por brindarme su apoyo ycomprensión en la realización de este proyecto. Mónica Adriana Rodríguez Pinzón 8
  9. 9. AGRADECIMIENTOSLos Autores expresan sus agradecimientos a:Las directivas de la División de Producción y al Departamento de Investigación yDesarrollo de la Industria Cervecera por permitir el desarrollo del proyecto ycontribuir con el patrocinio total para su ejecución.La Dra. María Mercedes Martínez, Directora del proyecto por su constanteorientación científica en el manejo de la investigación, y por su estímulo para eléxito del proyecto.La Dra. Isabel Cristina Gutiérrez, Codirectora del proyecto por su constante apoyoy su empeño en la realización de la investigación.A nuestros amigos y compañeros con quienes hemos tenido la fortuna decompartir estos años.A todas las personas que en una u otra forma contribuyeron al logro de lainvestigación. Septiembre de 2000 9
  10. 10. TABLA DE CONTENIDO Pág.RESUMEN xx1. INTRODUCCIÓN....................................................................................... 12. MARCO TEORICO.................................................................................... 22.1. Industria cervecera.................................................................................... 32.1.1. Proceso de elaboración de la cerveza.................................................... 32.1.2. Puntos críticos de contaminación de los efluentes cerveceros................ 42.1.3. Características de los vertimientos de una industria cervecera............. 52.2. Aguas residuales....................................................................................... 62.2.1. Características de las aguas residuales.................................................. 72.3. Tratamiento de aguas residuales..... .......................................................... 92.3.1. Pretratamientos o tratamientos primarios............................................. 102.3.1.1. Homogenización y regulación del caudal.......................................... 112.3.2. Tratamientos secundarios...................................................................... 112.3.2.1. Tratamientos anaerobios.................................................................... 132.3.3. Tratamientos terciarios.......................................................................... 182.4. Metabolismo y bioquímica de la digestión anaerobia.............................. 202.4.1. Hidrólisis.................................................................................. ............. 212.4.1.1.Tanque de ecualización o igualación................................................... 222.4.2. Acidificación......................................................................................... 232.4.3. Acetogénesis.......................................................................................... 242.4.4. Metanogénesis....................................................................................... 242.5. Sistema actual de tratamiento de aguas residuale s de la cervecería en 25estudio.............................................................................................................2.5.1. Tratamiento primario............................................................................. 272.5. 2. Tratamiento secundario......................................................................... 272.5.2.1. Homogenización de caudales............................................................. 272.5.2.2. Acidificación...................................................................................... 292.5.2.3. Proceso metanogénico........................................................................ 292.6. Microorganismos indicadores de la calidad........................................... 322.7. Legislación sobre vertimientos............................................................... 35 10
  11. 11. 2.7.1. Legislación internacional...................................................................... 352.7.2. Marco legal colombiano...................................................................... 373. JUSTIFICACION........................................................................................ 394. OBJETIVOS................................................................................................ 414.1. Objetivo General....................................................................................... 414.2. Objetivos Específicos............................................................................... 415. METODOLOGIA...................................................................................... 425.1 Ubicación................................................................................................... 425.2. Temporalidad.................. .......................................................................... 425.3. Muestreo.................................................................................................. 425.3.1. Frecuencia de muestreo......................................................................... 425.4. Procesamiento de muestras..................................................................... 445.4.1. Análisis microbiológicos....................................................................... 465.4.1.1. Recuento de heterótrofos.................................................................... 465.4.1.2. Recuento de coliformes...................................................................... 465.4.1.3. Recuento de mohos y levaduras......................................................... 465.4.1.4. Aislamiento y recuperación de cepas................................................. 465.4.1.5. Identificación de cepas aisladas.......................................................... 475.5. Evaluación de microorganismos patógenos............................................. 475.5.1. Evaluación de la presencia de Salmonella sp........................................ 475.5.2. Evaluación de la presencia de Listeria sp.............................................. 485.5.3. Evaluación de la presencia de Staphylococcus aureus.......................... 485.5.4. Evaluación de la presencia de Campylobacter sp. ............................... 485.6. Análisis físico químicos......... .................................................................. 485.7. Análisis estadístico................................................................................... 495.7.1. Análisis de anova para grupos microbianos.......................................... 495.7.1.1. Hipótesis planteada............................................................................. 495.7.2. Comparación múltiple de scheffé para grupos microbianos................. 505.7.2.1. Hipótesis planteada............................................................................. 505.7.3. Comparación de la proporción de crecimiento por bacteria para cadatanque............................................................................................................... 505.7.3.1. Hipótesis planteada............................................................................. 50 11
  12. 12. 5.7.4. Análisis de correlación de las variables fisíco-químicas con losrecuentos microbianos por tanque................................................................... 505.7.4.1. Hipótesis planteada............................................................................. 506. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................ 526.1. Muestreo................................................................................................... 526.2. Recuentos microbianos obtenidos............................................................ 536.2.1. Grupo de microorganismos heterótrofos............................................... 536.2.2. Grupo de coliformes.............................................................................. 566.2.3. Grupo de mohos y levaduras................................................................. 616.3. Resultados de análisis físico químicos..................................................... 656.3.1. Comportamiento de DQO.................................................................... 656.3.2. Comportamiento del pH...................................................................... 676.3.3. Correlación entre ácidos grasos volátiles y alcalinidad......................... 686.4. Correlación de variables físico-químicas con los grupos microbianos... 716.5. Microorganismos identificados................................................................ 726.5.1. Evaluación de microorganismos patógenos.......................................... 807. CONCLUSIONES...................................................................................... 838. RECOMENDACIONES............................................................................. 84BIBLIOGRAFÍAANEXOS 12
  13. 13. INDICE DE TABLAS Pág.Tabla 1. Puntos críticos de contaminación de los vertimientos cerveceros..... 4Tabla 2. Características típicas de un efluente de cervecería......................... 5Tabla 3. Parámetros de las aguas residuales y concentraciones máximaspermisibles para verter a un cuerpo de agua y/o red de alcantarilladopúblico. ............................................................................................................ 8Tabla 4. Procesos preliminares del tratamiento de aguas residuales............... 10Tabla 5. Diferencias entre los sistemas de tratamiento aerobio y anaerobio... 12Tabla 6. Principales sistemas de tratamiento anaerobio.................................. 13Tabla 7. Compuestos tóxicos........................................................................... 17Tabla 8. Procesos de tratamiento terciario....................................................... 18Tabla 9. Microorganismos patógenos.............................................................. 33Tabla 10. Legislación internacional................................................................. 36Tabla 11. Concentraciones máximas permisibles para verter a un cuerpo deagua y/o red de alcantarillado público según la resolución 1074 delDAMA............................................................................................................. 37Tabla 12. Número de asignación de los muestreos......................................... 44Tabla 13. Análisis de anova para los grupos microbianos evaluados............. 49Tabla 14. Comparación múltiple de scheffé para el gr upo de heterótrofos.... 55Tabla 15. Comparación múltiple de scheffé para el grupo de coliformes....... 59Tabla 16. Comparación múltiple de scheffé para el grupo de mohos ylevaduras.......................................................................................................... 64Tabla 17.Comparación múltiple de scheffé para los valores de DQO............ 66Tabla 18. Valores máximos y mínimos de pH en cada tanque........................ 67Tabla 19. Comparación múltiple de scheffé para los valores de pH............... 68Tabla 20. Comparación múltiple de scheffé para los valores de AGV yAlcalinidad....................................................................................................... 71Tabla 21. Niveles de correlación de las variables físico-químicas con losrecuentos microbianos en las etapas del tratamiento....................................... 72Tabla 22. Descripción macroscópica y microscópica de las coloniasidentificadas..................................................................................................... 73Tabla 23. Géneros de microorganismos identificados..................................... 76 13
  14. 14. Tabla 24. Valores de Z Calculado para las proporciones d crecimiento en erelación a la etapa de tratamiento.................................................................... 79Tabla 25. Prueba de ausencia-presencia de microorganismos patógenos....... 80 14
  15. 15. INDICE DE FIGURAS Pág.Figura 1. Puntos críticos de los vertimientos producidos durante laelaboración de la cerveza................................................................................. 3Figura 2. Reacción general de la digestión anaerobia..................................... 13Figura 3. Reactor UASB.................................................................................. 15Figura 4. Metabolismo de la digestión anaerobia............................................ 21Figura 5. Reacciones bioquímicas durante la hidrólisis.................................. 22Figura 6. Reacciones bioquímicas durante la acidificación............................ 24Figura 7. Reacciones bioquímicas durante la acetogénesis............................. 24Figura 8. Reacciones bioquímicas dur ante la metanogénesis.......................... 25Figura 9. Origen de los vertimientos que llegan a la planta de tratamientode aguas residuales.......................................................................................... 26Figura 10. Diagrama de la planta de tratamiento de aguas residuales en 28estudio..............................................................................................................Figura 11. Diagrama de los reactores de mezcla completa versión UAS........ 31Figura 12. Localización de los puntos de muestreo......................................... 43Figura 13. Procesamiento de muestras............................................................ 45Figura 14. Esquema de operaciones que afectaron las corrientes vertidas ala ptar durante Abril y Junio de 1999............................................................. 52Figura 15. Comportamiento de heterótrofos en la ptar en el tanque deecualización en los meses de abril y junio de 1999......................................... 53Figura 16. Comportamiento de heterótrofos en la ptar en el tanque deacidificación en los meses de abril y junio de 1999........................................ 53Figura 17. Comportamiento de heterótrofos en la ptar en la corriente desalida durante los meses de abril y junio de 1999........................................... 54Figura 18. Comportamiento de heterótrofos en la ptar en los tanques deecualización, acidificación y corriente de salida en los meses de abril yjunio de 1999................................................................................................... 54 15
  16. 16. Figura 19. Comparación múltiple de scheffé para el grupo deheterótrofos...................................................................................................... 55Figura 20. Porcentaje de remoción de heterótrofos......................................... 56Figura 21. Crecimiento de coliformes totales en cromocult durante los 56muestreos.........................................................................................................Figura 22. Comportamiento del grupo coliforme en la ptar (tanque deecualización, meses de Abril y Junio de 1999)............................................... 57Figura 23. Comportamiento del grupo coliforme en la ptar (tanque deacidificación, meses de Abril y Junio de 1999)............................................... 57Figura 24. Comportamiento del grupo coliforme en la ptar (corriente desalida, meses de Abril y Junio de 1999).......................................................... 57Figura 25. Comportamiento de coliformes en la ptar en los tanques deecualización, acidificación y corriente de salida en los meses de Abril yJunio de 1999................................................................................................... 58Figura 26. Porcentaje de remoción microbiana de coliformes....................... 59Figura 27. Comparación múltiple de scheffé para el grupo de coliformes...... 59Figura 28. Confirmación de coliformes en la PTAR en los tanques deecualización, acidificación y corriente de salida durante los meses de abril yjunio de 1999 por medio de la técnica de NMP.............................................. 60Figura 29. Reacción positiva de fluorescencia en caldo fluorocult................. 60Figura 30. Comportamiento de mohos y levaduras en la PTAR ( tanque deecualización, meses de Abril y Junio de 1999)............................................... 62Figura 31. Comportamiento de mohos y levaduras en la PTAR ( tanque deacidificación, meses de Abril y Junio de 1999)............................................... 62Figura 32. Comportamiento de mohos y levaduras en la PTAR (corrientede salida, meses de Abril y Junio de 1999)..................................................... 62Figura 33. Comportamiento de mohos y levaduras en la ptar en los tanquesde ecualización, acidificación y corriente de salida en los meses de Abril yJunio 1999....................................................................................................... 63Figura 34. Porcentaje de remoción microbiana de mohos y levaduras........... 63Figura 35. Comparación múltiple de scheffé para el grupo de mohos ylevaduras......................................................................................................... 64 16
  17. 17. Figura 36. Morfología macroscópica de los hongos identificados.................. 64Figura 37. Valores de DQO registrados en la PTAR en los tanques deecualización, acidificación y salida durante los meses de Abril y Junio de1999................................................................................................................. 65Figura 38. Comparación múltiple de scheffé para la DQO............................. 66Figura 39. Valores de pH registrados en la PTAR en los tanques deecualización, acidificación y salida durante los meses de abril y junio de1999................................................................................................................. 67Figura 40. Comparación múltiple de scheffé para el pH................................. 68Figura 41. Valores de AGVs y Alcalinidad registrados en la PTAR en eltanque de ecualización en los meses de abril y aunio de 1999...................... 69Figura 42. Valores de AGV y Alcalinidad registrados en la PTAR en eltanque de acidificación en los meses de abril y junio de 1999........................ 69Figura 43. Comportamiento de la relación AGVs/Alcalinidad durante losmeses de abril y junio de 1999........................................................................ 70Figura 44. Comparación múltiple de scheffé para los valores de AGV yAlcalinidad....................................................................................................... 71Figura 45. Reacciones bioquímicas observadas en la prueba de API 20 E..... 72Figura 46. Porcentaje de aparición de géneros bacterianos identificados encada etapa del tratamiento .............................................................................. 74Figura 47. Porcentaje de aparición de levaduras identificadas en cada etapadel tratamiento................................................................................................. 75Figura 48. Reacciones bioquímicas observadas en la prueba paraidentificación de levaduras.............................................................................. 78Figura 49. Prueba rápida de identificación para Salmonella sp..................... 81Figura 50. Prueba rápida de identificación para Listeria sp........................... 81 17
  18. 18. INDICE DE ANEXOSAnexo 1.Formulación de medios de cultivoAnexo 2. Técnicas empleadasAnexo 3. Fórmulas y cálculos estadísticosAnexo 4. Datos numéricos obtenidosAnexo 5. Perfil bioquímico de los microorganismos identificados 18
  19. 19. RESUMENLos sistemas de digestión anaerobia y en especial el Manto de Lodos de FlujoAscendente (UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket), representan unaalternativa importante para el tratamiento de aguas residuales industriales de altacarga orgánica, dadas las condiciones de operación del mismo, los bajos costos deoperación y la remoción de materia orgánica junto con la producción de biogás.En Colombia, la industria ha implementado sistemas de tratamiento de aguasresiduales a fin de aumentar la calidad de los efluentes; industrias como lacervecera utilizan tratamientos anaerobios siendo la tecnología UASBampliamente utilizada.Teniendo en cuenta que el sistema UASB no tie ne como objetivo la remoción demicroorganismos, la caracterización microbiana de los efluentes da a conocer a laindustria cervecera la composición de los mismos en vista de que legislacionesColombianas pudieran ser implementadas a corto plazo, exigiendo una mayorcalidad de los vertimientos industriales descargados en sistemas de alcantarilladopúblico o cuerpos de agua receptores.En el presente estudio se realizó un diagnóstico microbiológico en los tanques deecualización, acidificación y en la corriente de salida de la planta de tratamientode aguas residuales en una industria cervecera, la cual cuenta con un sistemaanaerobio de reactores de mezcla completa versión UAS. Para tal fin serealizaron recuentos microbianos de heterótrofos, coliformes, hongos y levaduras;encontrando porcentajes de remoción del 11%, 12% y 47% respectivamente, en elefluente con relación a la corriente de entrada. Entre los microorganismosidentificados predominaron bacterias entéricas destacándose géneros comoEnterobacter (16%), Escherichia (33%), Klebsiella (12%) y Serratia (6%) conel mayor porcentaje de aparición. Así mismo las bacterias identificadas aisladassobre el agar Cromocult mostraron a Escherichia coli como el principalcoliforme; dada su persistencia en las etapas del tratamiento evaluado. Dentro deldiagnóstico microbiológico se evaluó la presencia de patógenos como Salmonella 19
  20. 20. sp., Listeria sp., Staphylococcus aureus, y Campylobacter sp.(ausencia/presencia),encontrándose Listeria sp y Campylobacter sp. en una de las muestras de lacorriente de salida. Los parámetros físico químicos como DQO, Ácidos grasosvolátiles, pH y alcalinidad evaluados en las etapas del tratamiento, permitierondeterminar la influencia de los mismos sobre el comportamiento microbiano;encontrándose una relación inversa del 42% entre la DQO y coliformes en laetapa de acidificación. 20
  21. 21. 1. INTRODUCCIONEl creciente desarrollo industrial del país, ha contribuido a la producción deresiduos sólidos, líquidos y gaseosos, descargados en la mayoría de los casos sinningún tipo de tratamiento. Los vertimientos generados en la industria cervecera,por su alto contenido de materia orgánica constituyen uno de los principalesaspectos de la problemática medioambiental, haciendo necesario introducirregulaciones legislativas destinadas a proteger el medio ambiente (Arrieta, 1998).En Colombia el marco legal para la disposición de aguas residuales estácontemplado en el Decreto 1594 del Ministerio de Salud, 1984 que reglamenta losusos del Agua y el manejo de los Residuos Líquidos; así como en la Resolución1074 del 28 de octubre de 1997 del Departamento Administrativo del MedioAmbiente DAMA.Una de las alternativas para el tratamiento de aguas residuales es el tratamientobiológico, en el que se reduce la materia orgánica. Los sistemas de tratamientoanaerobio de tipo UASB han sido de amplia aplicación en la industria cervecera yde bebidas, dada su adaptabilidad para aguas con alta carga orgánica, siendo ladigestión anaerobia la solución más conveniente para transformar la materiaorgánica en ácidos grasos volátiles para la producción de metano y dióxido decarbono; teniendo en cuenta que este sistema no ha sido diseñado para laremoción de microorganismos.Dentro del marco de la problemática ambiental la industria cervecera se hainteresado en conocer las poblaciones microbianas predominantes en susvertimientos, así como la eventual presencia de microorganismos patógenos que anivel de salud pública puedan representar un riesgo para la población;realizándose así un trabajo de base a fin de cuantificar e identificar la cargamicrobiana característica, en las etapas de ecualización, acidificación y en lacorriente de salida. 1
  22. 22. 2. MARCO TEORICO2.1. Indus tria cerveceraLa creciente concientización de la industria cervecera en su problemática medioambiental y la implantación de un marco legal que garantice la protección delmedio ambiente mediante el control de los vertimientos industriales, ha hechonecesario el tratamiento adecuado de desechos líquidos mediante procesosbiológicos que aseguren la remoción de materia orgánica (Arrieta, 1998).2.1.1. Proceso de elaboración de la cervezaEl proceso de elaboración de la cerveza consta de tres etapas: la preparación dela malta a partir de la cebada, preparación del mosto de cerveza y fermentación(Figura 1). • Materias primas empleadas en la producción de la cerveza: agua, cebada, malta, triturado de arroz y azúcar, los cuales son recibidos en tolvas que cuentan con extractores de polvo. En el área de cocinas son mezcladas las materias primas de las cuales se obtiene inicialmente una solución compleja de sustancias solubles en suspensión que con ayuda de aumento en la temperatura reaccionan entre sí, a fin de obtener azúcares fermentables, dextrinas no fermentables, y el mínimo de proteínas solubles (principales constituyentes del mosto), después de la ebullición el mosto es bombeado a la olla especial para que mediante una sedimentación se separen las proteínas coagulantes insolubles. • Fermentación: luego de un proceso de aireación y enfriamiento el mosto es enviado a la cava de fermentación, en donde se adiciona la levadura; las cepas para la fabricación de la cerveza son de dos tipos principales; las levaduras que fermentan en la parte superior y las que fermentan en el fondo, siendo las primeras las que permanecen distribuidas de modo uniforme en el mosto en fermentación y son llevadas a la parte superior por el CO2 generado 2
  23. 23. Figura 1. Puntos críticos de los vertimientos producidos durante la elaboración de la cerveza 3
  24. 24. durante el proceso de fermentación, en tanto que las levaduras del fondo se asientan en los tanques. Las levaduras de la superficie se usan en la fabricación de ales, y las levaduras del fondo se usan para fabricar las cervezas Lager (Brock, 1999). • Maduració n: ocurrida la fermentación, la cerveza es conducida a las cavas de maduración en donde se clarifica y estabiliza el sabor por la reducción del ácido sulfhídrico, acetaldehído, diacetilo y la sedimentación de resina de lúpulo y levadura. Posteriormente la cerveza es filtrada y carbonatada para ser enviada a la envasadora de donde se pasa al proceso de pasteurización. Finalmente ya embotellada es etiquetada y dispuesta en canastas para su distribución (Pabón, 1998).2.1.2. Puntos críticos de contaminac ión de los efluentes cervecerosLos elementos contaminantes en un vertido cervecero son principalmente denaturaleza orgánica, resultado de pérdidas en el proceso de fabricación que van aparar al drenaje, al igual que los vertidos provenientes de aguas de lavado y aguassanitarias.En estudios realizados se ha encontrado que dentro del proceso de fabricación dela cerveza existen puntos críticos que aportan en mayor grado la cargacontaminante, afectando la calidad del efluente final (Figura 1, Tabla 1). Tabla 1. Puntos críticos de contaminación de los vertimientos cerveceros SECCION APORTE DE CONTAMINANTES Cavas y Cocina • Sedimentos producto del lavado de las ollas de cocción. • Soda caústica de lavado. • Agua de enjuague y restos de cerveza. • Levadura y Tierra diatomácea. Envase • Soda caústica de lavado de botellas. • Residuos de lubricantes de trenes de transporte. • Cerveza por rotura de botellas. Sala de máquinas • Aceites y grasas de maquinaria. Planta de llenado • Residuos de cerveza envasada. de latas • Lubricantes de maquinaria. • Aceites solubles. Fuente: Pabón, 1998 4
  25. 25. 2.1.3. Características de los vertimientos de una industria cerveceraEl consumo específico de agua en la industria cervecera se puede situar en elrango de los 6-9 Hl/Hl cerveza (Hectolitros/ Hectolitros), con un valor frecuentede 7Hl/Hl cerveza. La mayor parte del agua utilizada en la elaboración decerveza acaba en la red de drenajes de fábrica (entre un 70-80% del consumo).Las características típicas de un efluente de cervecería se muestran en la Tabla 2.Las concentraciones de contaminantes dependen del consumo específico de aguao radio vertido/producción, de las pérdidas que tienen lugar durante la fabricación,el destino de los subproductos o residuos, y del tipo de reactivos químicosempleados (Galdos, 1989). Tabla 2. Características típicas de un efluente de cervecería PARAMETRO UNIDAD VALOR PROMEDIO Consumo de Agua Hl/Hl 7.5 Volumen de Vertidos Hl/Hl 6 DQO mg/l 2700 Kg/m3 cerveza 16 DBO mg/l 1400 Kg/m3 cerveza 8.5 DBO/DQO - 0.55 N-NH4 mg/l 20 P-PO4 mg/l 10 SO4 mg/l 300 PH 7.5 Temperatura °C 30 Fuente: Arrieta, 1998Es así como tanto la naturaleza como la composición son muy variables a lo largode un día de trabajo o en temporadas de alta y baja producció n. Esto se debe a lanaturaleza discontinua del proceso de elaboración de la cerveza (proceso porlotes), razón por la cual el efluente varia en caudal y concentración en cortosperíodos de tiempo, coincidiendo con los momentos en el día en los que seproduce una determinada operación.Además de lo anterior se tienen en cuenta las frecuentes incidencias durantedeterminadas operaciones tanto de cocción como de embotellado, que ocasionanvertidos accidentales altamente cargados o con elevado pH (O’Rourke, 1992). 5
  26. 26. Durante la elaboración del mosto se vierten aguas de lavado de la malta, en sumolturación, así como aguas de aclarado en tanques de almacenamiento, quecontienen materias primas y aditivos. También se vierte mosto, en las operacionesfinales de la olla de filtración; bagazo, y turbio caliente en las paradas de limpiezaproducidas en la etapa de cocción.Durante la adición de la levadura, la fermentación y maduración, se vierte mosto ycerveza al final de las operaciones de transferencia desde coci iento hasta mfermentación y desde ésta a maduración. En la filtración se vierte cerveza,levadura y las tierras diatomáceas y adicionalmente el principio y fin de cadafiltración se vierte normalmente al drenaje. En las operaciones de envasado sevierte cerveza por rebose ya sea durante las operaciones de llenado de botellas opor roturas de las mismas en el embalaje. También se vierten papel, adhesivos,tintas, agentes de limpieza alcalinos (soda), ácidos (nítrico y fosfórico),detergentes y desinfectantes (Arrieta, 1998).El agua residual proveniente de la industria de la fermentaciones se caracterizapor velocidades de flujo variable (137m 3/h), alta carga orgánica (6 a 20kgDQO/m3), bajo pH y una relación alta C-N. Dada las características del aguares idual es necesario un pretratamiento in situ antes de ser descargada en sistemasde alcantarillado local y si es posible un eventual tratamiento secundario(Fernández & Polanco, 1996).2.2. Aguas residualesLas aguas residuales son las corrientes de agua que ya han tenido uso alguno ohan sido empleadas durante un determinado proceso de producción; presentandoelevados niveles de contaminación por concentraciones de materia orgánica ysólidos. Su descarga directa en los cuerpos receptores de agua alteran y modificanla calidad de la misma, siendo indispensable el tratamiento previo (CEPIS, 1993). 6
  27. 27. Las aguas residuales pueden ser clasificadas de acuerdo al origen del cualprovienen y de acuerdo a la función para la cual fueron empleadas en domésticas,industriales y agrícolas. Las aguas residuales domésticas provienen de lasnecesidades diarias de la comunidad, incluyendo las aguas sanitarias, mientras lasindustriales incluyen el agua que ha sido utilizada para el proceso de producción,lavado, y aguas sanitarias de la planta de producción a diferencia de las aguasresiduales agrícolas que provienen de la escorrentía superficial de las zonasagrícolas (Orozco, 1992).Los vertimientos industriales presentan grandes diferencias en cuanto a suspropiedades físicas y sus constituyentes químicos y biológicos dependiendo de lasmaterias primas empleadas. La mayor parte de los residuos se descargan en lasalcantarillas públicas para su tratamiento en las plantas locales de aguas negras, yalgunas veces la descarga se hace en un río, canal, estuario o en el marocasionando la contaminación de cuerpos de agua receptores (Winkler, 1995).2.2.1. Características de las aguas residualesLa calidad de agua residual es medida de acuerdo con los parámetros físicos,químicos y biológicos que indican el grado y tipo de contaminación del agua.Entre los parámetros físicos se encuentran color, turbiedad, olor, temperatura yconductividad; entre los químicos están parámetros como la demanda química deoxígeno(DQO), demanda bioquímica de oxígeno(DBO), oxígeno disuelto (OD),sólidos suspendidos totales (SST), gases (ácido sulfhídrico y metano), pH yconstituyentes químicos inorgánicos como: alcalinidad, cloruros, metales pesados,nitrógeno, fósforo y azufre (Tabla 3). Las caracter ísticas biológicas se determinanpor los principales grupos de microorganismos y la evaluación de organismospatógenos (CEPIS, 1993). 7
  28. 28. Tabla 3. Parámetros de las aguas residuales y concentraciones máximas permisibles para verter a un cuerpo de agua y/o re d de alcantarillado público PARÁMETROS CARACTERÍSTICAS NORMA REFERENCIA Temperaturas del rango mesófilo Biton, 1994 Temperatura desde 25ºC hasta 40ºC con una < 30 °C DAMA temperatura óptima de 35ºC. Res.1074 Color Tonalidad causada por la materia orgánica y contaminantes No aplica Winkler, 1995FÍSICOS Olor Gases producidos por la Winkler, 1995 descomposición de la materia No aplica orgánica. Sólidos Materia disuelta en el agua, que por 2.0 ml / l DAMA Sedimentables decantación forma sedimentos Res.1074 Sólidos Materia flotante y en suspensión, en DAMA Suspendidos dispersión coloidal y el disolución. 800 mg / l Res.1074 Totales El rango de pH utilizado oscila entre Biton, 1994 pH 6.7 a 7.4 pero raramente entre 7.0 a 5- 9 DAMA 7.2. Res.1074 La proporción entre el total de ácidos Mantenerla AGV/Alcalinidad grasos volátiles (como ácido acético) y por debajo Sahm, 1984 el total de la alcalinidad (como de 0.1. carbonato de calcio). Volumen de oxígeno requerido para QUÍMICOS DQO oxidar la fracción orgánica de una Biton, 1994 muestra susceptible de oxidación al 2000 mg / l DAMA dicromato o permanganato, en ácido. Res.1074 Medida de la cantidad de oxígeno requerido para la oxidación de la Biton, 1994 DBO materia orgánica biodegradable 1000 mg / l DAMA presente en la muestra del agua y Res.1074 como resultado de la acción de oxidación bioquímica aerobia Plata Ag 0.5 mg / l Metales Niquel Ni 0.2 mg / l DAMA Plomo Pb 0.1 mg / l Res.1074 Coliformes Se detectan a través de la técnica del 102 MICROBIOLÓGICOS NMP para coliformes. UFC/100ml Keith, 1999 Bacterias Evaluación de la presencia de Listeria Patógenas sp. Campylobacter sp, Salmonella sp, Ausencia Baker, 1999 E. coli. Virus Virus entérico, colifagos somáticos y F Ausencia Baker, 1997 Parásitos Evaluación de protozoos y helmintos. ≥ 1 huevo / OMS, 1989 litro 8
  29. 29. 2.3. Tratamiento de aguas residualesEs un proceso que busca la eliminación de los componentes contaminantes, o conefectos nocivos para el medio ambiente, y ajustar la calidad del agua vertida a lasespecificaciones legales (DAMA, 1984).La mejor forma de tratar una agua residual depende de una serie de factores comocaudal, composición, calidad requerida del efluente y las posibilidades dereutilización o vertido a una depuradora municipal.• Caudal : es la cantidad de agua residual tratada por unidad de tiempo, depende del tipo y el tamaño de la industria, así como del grado de reutilización del agua y el pretratamiento de la misma. La fluctuación de los caudales es elevada al generarse descargas intermitentes.• Composición: se refiere a las cantidades de constituyentes químicos, físicos y biológicos presentes en las aguas residuales; la composición en los residuos líquidos puede variar según el tipo de proceso industrial.• Calidad requerida del efluente: para evitar impactos ambientales adversos, la calidad de los efluentes tratados y vertidos debe ser coherente con los usos posteriores de los mismos, teniendo en cuenta parámetros como (OD, SS, pH, y químicos tóxicos)• Posibilidades de reutilización: refiriéndose al uso del agua residual para fines beneficiosos tales como el riego agrícola; refrigeración industrial, o la incorporación a un sistema de abastecimiento.• Posibilidad de vertido a una depuradora municipal: es importante la evaluación de los diferentes métodos de evacuación del agua tratada, ya sea por vertido y dilución en aguas al medio ambiente o por aplicación en cuerpos de agua receptores (Orozco, 1992).Así teniendo en cuenta las características y el origen de los vertimientos a tratares posible diseñar un sistema de tratamiento adecuado mediante el cual se alcanceel nivel de depuración requerida bien sea con posibilidades d reutilización o tan esólo bajo los estándares contemplados en la legislación.El tratamiento de aguas residuales comúnmente es llevado a cabo por medio dediferentes etapas que disminuyen el grado de contaminación en relación con la 9
  30. 30. cantidad de materia or gánica; básicamente son llevados a cabo procedimientosfísicos, biológicos y químicos, que constituyen las tres principales etapas de lossistemas de tratamiento.2.3.1. Pretratamientos o tratamientos primariosLos pretratamientos de las aguas residuales implican la reducción de sólidos ensuspensión o el acondicionamiento de las aguas para su descarga bien en losreceptores o para pasar a un tratamiento secundario.Pueden emplearse medios físicos diferentes para realizar la separación de losmateriales de mayor tamaño, entre ellos se encuentran: rejas, tamicesautolimpiantes, tamices inclinados, microfiltros; y para la separación demateriales muy finos es posible montar procesos de desarenación, en donde lasedimentación es la base de la separación. También pueden emplearse procesosquímicos para la precipitación de sólidos suspendidos y coloidales, con el fin deeliminar los sólidos flotantes y grasas (Metcalf & Eddy, 1995).Así estos tratamientos primarios pretenden también llevar a cabo la separació n deaceites, grasas y otros materiales menos densos que el agua, puede realizarseaprovechando la diferencia de densidades (Tabla 4). Tabla 4. Procesos preliminares del tratamiento de aguas residuales OPERACIÓN O PROCESO FUNCIÓN Dilaceración Trituración de los sólidos remanentes después del desbaste grueso. Preaireación Suministro de Oxígeno disuelto para mejorar la distribución hidráulica Cribado Reducción de sólidos en suspensión de tamaños distintos Tamices Desbaste do sólidos gruesos mediante un giro continuo o intermitente de agua a través de un disco inclinado con ranuras fresadas de cobre o bronce. Floculación Mejora de las características de sedimentación de los sólidos en suspensión Sedimentación Eliminación de sólidos en suspensión del mismo tamaño de acuerdo a la diferencia del peso específico entre las partículas sólidas y el líquido donde se encuentran. Desarenado Retención de arenillas, tierra, cáscaras de huevo, semillas y demás partículas con gravedades específicas cercanas, para p revenir el taponamiento de las tuberias. (Velocidad próxima a 0.3m/s) 10
  31. 31. Flotación Eliminación de sólidos suspendidos y flotantes previo a la decantación primaria. Precipitación Eliminación de sólidos sedimentables y coloidales y del fósforo. química Fuente: Metcalf & Eddy, 19952.3.1.1. Homogenización y regulación del caudalLa homogenización tiene por objeto uniformizar los caudales y características delefluente cuando los vertidos son irregulares, discontinuos o diferentes de unosmomentos a otros, evitando que descargas puntuales puedan afectar todo elproceso posterior. Para conseguir la homogenización y evitar la sedimentación desólidos, el depósito o tanque donde se lleve a cabo este proceso debe estarprovisto de un sistema de agitación, mecánico o por aire.2.3.2. Tratamientos secundariosLos tratamientos secundarios comprenden una gran variedad de procesosbiológicos en donde las bacterias y varias poblaciones de microorganismos sonlos encargados de destruir y metabolizar la materia orgánica soluble y coloidal,reduciendo la DBO y la DQO a valores inferiores a 100mg/l cuando se trata desistemas aerobio y anaerobio complementario. La velocidad de degradacióndepende de la presencia de los microorganismos adecuados, teniendo en cuentalas características metabólicas requeridas en cada una de las etapas del tratamientoseleccionado.En general los procesos biológicos también llamados procesos de tratamientosecundario, son utilizados para la conversión de la materia orgánica disuelta yfinamente dividida, en flóculos biológicos sedimentables y en sólidos siendoeliminados en los fangos de sedimentación, generando así la reducción de lamateria orgánica (Metcalf & Eddy, 1995). En un tratamiento secundario no sebusca la eliminación de microorganismos patógenos o carga microbiana engeneral, básicamente se centra en la reducción de la materia orgánica.Los procesos biológicos se pueden clasificar en dos grandes grupos, aerobios yanaerobios. Los primeros emplean bacterias que se desarrollan en presencia de 11
  32. 32. oxígeno disuelto en el agua, mientras que en los segundos las bacterias sobrevivenen ausencia de oxígeno. En ambos casos las poblaciones microbianas conviertenla materia orgánica en nueva biomasa o fango, dióxido de carbono y metano.Las características de ambos tipos de procesos presentan ventajas y desventajascon relación a las características de diseño, condiciones técnico económicas yeficiencias de remoción de la carga contaminante; así los procesos anaeróbicosofrecen una diversidad de atractivos a diferencia de los procesos aeróbicos, dadoque la tasa a la que se puede llevar a cabo el tratamiento no está limitada por latasa a la que se pueda suministrar el oxígeno. El anaerobio tiene bajas tasas deproducción de lodos residuales, y no requiere de la introducción de un sistema deaeración; lo que reduce sustancialmente los costos de operación, siendo suprincipal desventaja la remoción incompleta de DBO (70-80%) (Arrieta,1998)(Tabla 5). Tabla 5. Diferencias entre los sistemas de tratamiento aerobio y anaerobio TRATAMIENTO AEROBIO TRATAMIENTO ANAEROBIOù Rendimientos de eliminación de DQO ùRendimiento de eliminación de DQO entre 70- mayor al 90% 80% ù Gran consumo energético, requerido ùMuy bajo consumo energético. Produce bajas en la aireación. Genera de 3 a 20 cantidades de lodo. veces mas lodos. ù Mayor consumo de nutrientes ùBaja cantidad de nutrientes (DQO:N:P= (DQO:N:P =100:5:1) 100:0.5:0.1) ù Adecuado para DQO > 2000mg/l ùAdecuado para DQO mayores a 1500mg/l ù No permite paradas sin sustrato, ni ùRequiere control de olores, y mayor control de pH aireación (6.5-7.5)Fuente: Arrieta, 1998 12
  33. 33. 2.3.2.1. Tratamientos anaerobiosPara las aguas residuales con alta carga orgánica (2000-30000 o más mg DBO/l)la degradación anaerobia puede representar la digestión más conveniente. Endicho proceso la materia orgánica se descompone por la acción de losmicroorganismos en la ausencia de oxígeno produciendo metano y dióxido decarbono (Figura 2). La gran variedad de géneros microbianos predominan en tesvertimientos tan fluctuantes y con altos niveles de materia orgánica como son losde la industria de alimentos y bebidas permiten que la digestión anaerobiaconstituya una buena alternativa para el tratamiento secundario, obteniendo altosporcentajes de remoción, aproximadamente de un 90% (Winkler, 1995). Materia Orgánica CH4 + CO 2 + H2 + NH3 + H2S Figura 2. Reacción general de la digestión anaerobia Fuente: Schroeder, 1990Básicamente en un reactor anaerobio cerrado, para evitar el contacto del aire, lamateria orgánica soluble y coloidal, se transforma en ácidos volátiles que a su vez,se transforman en metano y CO2. Esos procesos fermentativos son mediados pordiferentes tipos de bacterias que llegan a producir un 65% de metano en el gasproducido, lo cual permite aprovecharlo para mantener la temperatura idónea de ladigestión.Así el tratamiento anaerobio se puede operar en distintos sistemas, variando lascondiciones en el flujo de la corriente a tratar, los materiales de construcción y lossoportes de acuerdo a las características y los caudales tratados (Tabla 6). Tabla 6. Principales sistemas de tratamiento anaerobioSISTEMA FUNCIONAMIENTO REFERENCIAReactores de El sistema donde la biomasa no tiene soporte físico y Contacto mediante agitación se favorece el contacto bacterias- Ramalho, 1991 (CSTR) sustrato, evitando las sedimentaciones de sólidos en el interior del reactor. Filtro En el interior del reactor un material de relleno actúa de Anaerobio soporte físico para la biomasa, y el agua circula en el Fernández, 1996 interior en dirección ascendente.Reactores de En estos reactores los microorganismos se adhieren al Lecho Fijo medio inerte, que puede ser cualquiera de los medios Hernandez, 1992 13
  34. 34. usados en los lechos bacterianos. Se destacan reactores de lecho expandido, fundido y reciclado. Reactor Sistema a través del cual el agua residual fluye UASB ascencionalmente a través del fango anaerobio Arrieta, 1998 alcanzándose la depuración y la retención de la biomasa por medio de los separadores de tres fases. (Agua – fango – gas)CSTR: Continually Stirred Tank Reactor UASB: Upflow Anaerobic Sludge BlanketUno de los sistemas anaerobios más utilizado para el tratamiento de aguasresiduales es el sistema UASB (Upflow Anaerobic Sludge Banket), dicho sistemafue introduc ido a mediados de la década de los setenta por Lettinga ycolaboradores en la Universidad Agrícola de Wageningen (UAW) en Holandapara el tratamiento de aguas residuales industriales generadas de la industriaalimenticia (Orozco & Giraldo, 1986).En los años 80 se reconoció el potencial de la aplicación de la tecnología UASBpara el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales en países en víade desarrollo.En Colombia se ha llevado a cabo la implementación de sistemas anaerobios detipo UASB en industrias productoras de levaduras (NABISCO ROYALCOLOMBIANA), con un 60% de remoción de DQO; embotelladora de bebidasgaseosas (con un 85% de remoción de DQO), industria cervecera (con un 80% deremoción de DQO), y efluentes de matadero y frigorífico (con un 75% deremoción de DQO)(Aldo & Magallana, 1999). En el campo cerveceroreconocidas industrias han implementado sistemas de tratamiento combinadosentre biológicos, físicos y químicos que logran obtener eficiencias de remoción deDQO entre el 96 y el 98% obteniendo un efluente de alta calidad fisicoquímica ymicrobiológica (Toquica, 1999).Este tipo de sistema no lleva ningún material de soporte de los microorganismos,pues la propia biomasa produce unos flóculos o granos relativamente densos queactúan de auto soporte. El sistema UASB se adapta muy bien al tratamiento deafluentes con alto contenido de materia orgánica, siendo empleado en casos 14
  35. 35. donde la eliminación o conversión de la misma en metano es el objetivo principal. Las partes más de stacables del reactor UASB son el sistema de alimentación, la distribución del influente y el separador de fases. En este tipo de reactor el agua se reparte por toda la sección inferior a través de una capa densa de fango anaerobio atravesando ésta en su movimiento ascensional, donde la DQO removida es convertida parcialmente en biogás (Figura 3). Campana colectoraDeflector Efluente Tolva Sistema de Recirculacion de lodosCorriente a tratar Reactor Figura 3. Reactor UASB Fuente: Industria cervecera, 1999 En la parte superior del reactor se encuentra el separador que descarga el efluente tratado, el fango y el biogás. A medida que el biogás es separado y evacuado a través del sistema de campanas colectoras que conforman el separador, se reduce la turbulencia restableciéndose la tranquilidad y el fango pesado se decanta en el reactor (Metcalf & Eddy, 1995). El proceso de digestión anaerobia es afectado por múltiples factores como la temperatura, el tiempo de retención, el pH, la composición química del agua 15
  36. 36. residual, la competencia de las metanogénicas con las bacterias sulfato-reductoras,y la presencia de tóxicos; siendo el principal problema de este sistema laretención de la biomasa dentro del reactor, trabajando con tiempos de retenciónhidráulicos bajos (velocidades de agua elevadas). La actividad metanogénicapotencial de dicha biomasa se ve principalmente afectada por aspectos físicos dediseño (capacidad y tiempo de retención, contacto biomasa-agua, inhibición porretroalimentación y compuestos tóxicos) del reactor que limitan su capacidad detratamiento.• Capacidad de retenciónEn los reactores UASB la retención de la biomasa en el interior del reactor selogra por medio de los separadores de tres fases (agua, fango y gas) colocados enla parte superior. Si la velocidad del agua a través del separador es demasiado alta,o a la altura del separador existe una gran turbulencia originada por una granproducción debiogás, el efluente arrastra más fango del que se crea en el interior del reactor, loque se traduce en una pérdida paulatina de la biomasa y de la capacidad detratamiento (Arrieta, 1998).La mayor ventaja del UASB a través de su diseño es que permite la retención deuna gran cantidad de biomasa activa en comparación con otros sistemasanaerobios, tolerando así altas descargas orgánicas. El flujo ascendente es uno delos principales factores para la formación de lodo granular responsable de la altatasa de depuración (Lettinga et al, 1990). Para el tratamiento de aguas residualesde industrias de bebidas se ha optado por la implementación de sistemas UASBgracias a la habilid ad para retener grandes cantidades de biomasa debida a laadhesión de células bacterianas en gránulos de biomasa manteniendo un ambientenutricionalmente favorable dado el gran flujo de nutrientes que se presenta(MacLeod , 1990).• Tiempo de retenciónEl tiempo de retención hidráulico (TRH), depende de las características ycondiciones de diseño, éste debe ser el suficiente para que se lleve a cabo elmetabolismo anaerobio bacteriano en el digestor. Los digestores que presentan un 16
  37. 37. crecimiento uniforme tien un TRH más bajo que aquellos digestores que enpresentan un crecimiento disperso. En el caso de tanques de acidificación se haencontrado un tiempo de retención adecuado de 3 horas, y en los reactores hasta 6horas, cuando se trabaja con reactores de fases separadas (Polprasert, 1989).• Contacto biomasa/aguaEl segundo aspecto limitante para la plena utilización de la capacidad de labiomasa en la eliminación de la materia orgánica del agua residual es el contactofango/agua. Este contacto se mejora con una buena expansión o fluidificación delmanto de fangos en el interior del reactor, así como una buena distribución delinfluente sobre toda la sección del reactor (Arrieta, 1998).• Formación y acumulación de H2SLa presencia de sulfatos en aguas residuales estimula la actividad de bacteriasreductoras de sulfato (BSR) durante el tratamiento anaeróbico de estos vertidos.La actividad de estas bacterias limita la producción de metano al competir, poralgunos substratos comunes (Hidrógeno y Acetato), con las bacteriasmetanogénicas, ya que éstas utilizan el acetato como fuente de electrones (Smul& Verstraete, 1999).• Presencia de compuestos tóxicosUn amplio rango de tóxicos son los responsables de fallas en el proceso dedigestión anaerobio. La inhibición en el proceso es evidenciada en la reducciónde la producción de metano y un aumento en la concentración de ácidos volátiles(Tabla 7). Tabla 7. Compuestos tóxicos COMPUESTOS EFECTOS REFERENCIA Oxígeno Inactiva enzimas claves en la actividad Wolfe, 1989 metanogénica. Amonio Disminuye la retención de sólidos y Parkin, 1989 aumenta el tiempo de retención. Concentraciones entre 1500-3000 g/l son tóxicas e inhibitorias de la actividad metanogénica. Metales Pesados Inhiben la actividad metanogénica, Parkin, 1989 Pb+2,Cd + 2, Ni+2, cuando la afinidad del metal por el lodo Zn+2, Cr +6 disminuye. Sulfuro Se difumina a través de la membrana Rinzema, 1988 celular. Estos son tóxicos cuando los niveles exceden 150-200 mg/l. Acidos Grasos de Acidos como el caprílico, laurílico, Wolfe, 1989 17
  38. 38. cadena larga mirystico y oleico, inhiben la actividad de las bacterias acetoclásticas.2.3.3. Tratamientos terciariosEste tipo de tratamientos complementa el tratamiento de las aguas residualescuando se requiere una depuración mayor de la conseguida con los tratamientosprimarios y secundarios. Esta etapa del tratamiento incluye procesos específicoscomo precipitación, adsorción en carbón activo, oxidación química, inyección conaire a vapor, intercambio iónico, ósmosis inversa y elec trodiálisis (Cepis, 1993)(Tabla 8). Tabla 8. Procesos de tratamiento terciario PROCESO FUNCIONAMIENTO REFERENCIA Filtración Eliminación de sólidos arrastrados, el medio de filtración puede ser arena, grava, antracita, u otro Hernandez, material adecuado. 1992 Adsorción Concentración de un soluto en la superficie de un sólido, acumulándose una capa de moléculas de Rozano, 1995 soluto en la superficie del sólido por el desequilibrio de las fuerzas superficiales. Ozonificación Oxidación con ozono O3 para la eliminación de compuestos orgánicos no saturados presentes en el Rigola, 1989 AR, reducción de la formación de espuma. Cloración Desinfección con cloro por la fuerte capacidad de oxidación de iones metálicos y cianuros a productos Rozano, 1995 inocuos, por la reducción de la DBO, y la eliminación de colores y olores. Desinfección Exposición a radiaciones UV con longitud de onda de Doménec et al., con UV 254nm, es una alternativa efectiva para evitar los 1999 efectos nocivos de la cloración. AR: Agua Residual UV: UltravioletaLa importancia de la implementación de los sistemas terciarios radica en lanecesidad de destruir agentes patógenos que signifique un grave riesgo sobre lasalud pública. Los procesos de desinfección son esenciales como barrera entre losagentes causantes de enfermedades y el hombre. Los sistemas terciariosexistentes comprenden procesos físico y químicos. 18
  39. 39. La cloración es uno de los esquemas de desinfección mas utilizados como sistematradicional, en sus var iantes hipoclorito de calcio (estado sólido), hipoclorito desodio (estado líquido) y cloro gaseoso, dado su fácil acceso y variedad de costos.La desinfección del cloro actúa por la alteración y ruptura de la pared celular,ocasionando la desintegración celular (Bosch, 1993). Sin embargo el granproblema de la utilización de cloro para la desinfección de aguas residuales es laformación de trihalometanos como cloroformo, diclorometano, bromoformo,1,2docloroetano; compuestos considerados carcinógenos (Archer, 1992).La ozonización es uno de los sistemas de desinfección más efectivos para laremoción de patógenos sin embargo dados los costos que puede significar suimplementación no es usado ampliamente solo cuando se requieren efluentes dealta calidad (Kuo & Yamashita, 1999).El ozono es un agente fuertemente oxidante y es muy efectivo para la remoción deolor, sabor y color. Este oxidante es utilizado para la inactivación de patógenos(bacterias y parásitos) y para la oxidación de hierro y manganeso; compuestoscausantes del olor, sabor y color. En medio acuoso el ozono produce radicaleslibres que inactivan los microorganismos, afectando la permeabilidad, la actividadenzimática y el DNA bacteriano (Ishizaki, 1984). Algunos efectos adversosrelacionados con el uso del ozono son los incrementos en la mutagenicidad convalores >3 mg/l, sin embargo esto puede contrarrestarse con filtros de carbónactivado (Matsuda, 1992).La desinfección con radiación ultravioleta UV utiliza lámparas de mercurioencerradas en tubos de cuarzo para permitir la irradiación bajo las corrientes deagua ejerciendo así un efecto germicida a 2.537 nm debido a que en los ácidosnucleicos (ADN y ARN) microbianos son producidas mutaciones, impidiendo sureproducción y causando así su destrucción. Una de las dificultades para laaplicación de la radiación ultravioleta consiste en calculo de la dosis necesaria aun flujo determinado para la desinfección del agua residual. Otras desventajasson los altos costos de mantenimiento y limpieza y en algunas ocasiones es 19
  40. 40. necesario agregar cloro posterior. Sin embargo es eficiente en la inactivación debacterias , virus y parásitos, no presenta problemas de olores, no requiere muchoespacio ni almacenaje de químicos (Bitton, 1994).Otros sistemas terciarios son los de tipo físico que consisten en microfiltración yfiltración por membranas, procesos de sedimentación y coagulación por agentesquímicos. Estos sistemas son mucho mas económicos y pueden ser unaalternativa en los tratamie nto de aguas residuales, permiten la remoción departículas así como de parásitos y bacterias (Edzwald & Kelley, 1998).2.4. Metabolismo y bioquímica de la digestión anaerobiaLa digestión anaerobia se realiza en tres etapas en las cuales la materia orgá nica estransformada por la acción de microorganismos en 78% de biogás (mezcla de CH4+ CO2); 20% de materia orgánica degradada que continúa en disolución; y 1-2%en nuevos microorganismos (crecimiento anaerobio). La degradación de materiaorgánica se realiza a través de una serie compleja de reacciones bioquímicas quetranscurren tanto en paralelo como en serie (Fernández, 1996).Las distintas reacciones bioquímicas que tienen lugar en el tratamiento anaerobiose pueden agrupar en 4 fases diferenciadas que incluyen hidrólisis, acidificación,acetogenésis y metanogenésis (Figura 4). 20
  41. 41. MATERIA ORGANICA PROTEINAS CARBOHIDRATOS LIPIDOS HIDRÓLISIS AMINOÁCIDOS AZUCARES ACIDOS GRASOS PRODUCTOS INTERMEDIARIOS PROPIONATO, BUTIRATO, LACTATO Fermentación Oxidación Anaeróbica ACETATO HIDROGENO METANO Figura 4. Metabolismo de la digestión anaerobia Fuente: Arrieta, 19982.4.1. HidrólisisLa materia orgánica en suspensión con estructura compleja se transforma encompuestos solubles por actuación de exoenzimas. Las proteínas sontransformadas en simples aminoácidos, las grasas en glicerol y ácidos grasos y loscarbohidra tos en azúcares; esta degradación se da con el fin de facilitar lapenetración de sustratos al interior de la célula (Figura 5).Dado el alto contenido de hidratos de carbono (almidón y azúcares) presente en elefluente cervecero, dicho polisacárido es atacado por el complejo de amilasasmicrobianas produciendo así sustratos más asimilables por las poblacionesmicrobianas que intervienen en las etapas posteriores de la digestión anaerobia. 21
  42. 42. Hidrólisis de Carbohidratos C6 H1 2O6 C4H 9OH + 2CO 2 + H2 O Glucosa Butanol Dióxido de carbono Agua C4H9OH + H2 O 3CH4 + CO2 + H2 O Butanol Agua Metano Dióxido de carbono Agua Hidrólisis de Proteínas CO(NH2 ) 2 + H2O CO2 + 2NH 3 + H 2S + 4(CH2 NH2.COOH) + 2H 2O Agua D. de carbono Amoniaco Sulfuro de H Agua 4(CH2NH2.COOH) + 2H2O 3CH4 + 5CO 2 + 4NH3 Agua Metano D. de carbono Amoniaco Hidrólisis de Grasas C 3H5(CH3.(CH2)1 6.COO)3 + 3H2 O C3 H5(OH) 3 + 3(CH 3.(CH2 )16 .COOH) Agua Glicerol 4(C3 H5(OH) 3) - 2H2O 7CH4 + 5CO2 Metano D. de carbono 12(CH3 .(CH2)16.COOH) + 3H 2O 52CH4 + 20CO 2 Metano D. de carbono 59CH 4 + 25CO2 Metano D. de carbono Figura 5. Reacciones bioquímicas durante la hidrólisis Fuente: Hernández, 1992Durante el proceso de hidrólisis están asociados microorganismos anaerobiospertenecientes a los géneros Bacteroides, Acetivibrio, Ruminococcus, Closttridiumy Anaerovibrio entre otros y microorganismos facultativos pertenecientes a losgéneros Pseudomonas, Bacillus y mohos como Aspergillus sp y Penicillium sp(Speece, 1983).2.4. 1.1.Tanque de ecualización o igualaciónEste se hace necesario cuando las variaciones en el flujo o composición del aguaresidual son muy altas. La principal función de este depósito es regular el flujo deun desecho y homogenizar las características de los caudales a fin de dar inicio alproceso de transformaciones bioquímicas previas al tratamiento anaerobio.Además es un sistema de amortización para altas descargas orgánicas,permitiendo mejorar la transferencia de (Carvajal, 1997). 22
  43. 43. 2.4.2. AcidificaciónLas bacterias acidificantes transforman la materia orgánica disuelta aminoácidos,azúcares, y ácidos grasos de cadena larga, en ácidos grasos volátiles como el ácidoláctico, acético, propiónico, y butírico principalmente, en función del sustratobase, y CO2 + H2 . Así la cinética del proceso es rápida a pH bajo (5.8 – 6.2).Durante el proceso de acidogénesis, están bacterias fermentativas pertenecientes alos géneros Clostridium, Bacteroides, Lactobacillus, Acetivibrio entre otros yalgunos microorganismos facultativos que conciernen a los géneros Escherichia,Salmonella y Klebsiella, correspondientes a la familia Enterobacteriaceae.Este proceso es esencial para que se lleve a cabo la digestión anaerobia, pues laproducción de dichos ácidos libera compuest os simples como hidrógeno yacetato primordiales para las poblaciones microbianas presentes en losreactores (Figura 6).De igual manera previo a la entrada de los reactores es necesario un proceso deneutralización de los vertidos. Esta neutralización persigue eliminar la acidezmezclando vertidos de pH opuesto, de manera que los vertidos ácidos seneutralizan por adición de un álcali, en general cal, por razones económicas,aunque a veces es necesario utilizar solución concentrada de NaOH o Na 2CO 3, dereacción más rápida y que no pueden dar problemas de precipitación de sulfato decalcio. El principal fin de esta neutralización es alcanzar un pH de 6.5 a 7.0óptimo para el crecimiento de las poblaciones metanogénicas presentes en losreactores (Rozano, 1995).En la industria cervecera es llevado a cabo un proceso de neutralización a travésde gaseado con dióxido de carbono o soda cáustica para ajuste del pH neutro, asímismo durante la etapa de acidificación se lleva a cabo la adición demicronutr ientes como Sulfato de magnesio heptahidratado, cloruro de calcio,cloruro férrico, sulfato de manganeso y macronutrientes como urea y ácidofosfórico (Metcalf, 1998). 23
  44. 44. AA-Azúcares-Ac.Grasos Ac.Orgánicos + Alcoholes -Cetonas + Acetato + CO2 + H2 Acético, Fórmico Propiónico, Láctico Butírico, Succínico A.A: Aminoácidos azufrados H2S Figura 6. Reacciones bioquímicas durante la acidificación Fuente: Bitton, 19942.4.3. AcetogénesisEn esta etapa del proceso las bacterias acetogénicas convierten los productos delas acidificantes en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono; estas convivencon y dependen de las metanogénicas ya que solo pueden metabolizar cuando lasmetanogénicas o las sulfatoreductoras mantienen suficientemente baja laconcentración de acetato y la presión parcial del hidrógeno en el líquido (Arrieta,1998) (Figura 7). Etanol + Ac.Propiónico + Ac. Butírico Acido Acético CH3 CH2OH + CO2 CH3 COOH + 2H2 Etanol Ac. Acético CH3 CH2COOH + 2H2O CH3 COOH + CO2 + 3H2 Ac. Propiónico Ac. Acético CH3 CH2 CH2COOH + 2H 2O 2CH3 COOH + 2H2 Ac. Butírico Ac. Acético Figura 7. Reacciones bioquímicas durante la acetogénesis Fuente: Bitton, 1994En el proceso de acetogénesis están asociados Syntrophobacter wolinii ySyntrophobacter wolfei (Boone et al, 1980), Syntrophomonas sp. (McInerney etal, 1981) y Syntrophus sp.2.4.4. MetanogénesisEs el proceso final en donde las bacterias metanogénicas producen CH4 a partir demezclas de acetato y CO2 + H2, este proceso tiene lugar en condicionesestrictamente anaerobias, a un pH óptimo de 7.0 y temperatura óptima de 35°C. 24
  45. 45. La producción de metano se lleva a cabo mediante dos rutas metabólicas, lareducción del dióxido de carbono y el hidrógeno (metanogénicas hidrogenofílicas)y la fermentación del ácido acético (metanogénicas acetoclásticas) (Figura 8)(Bitton, 1994). Metanogénicas Hidrogenofilicas CO 2 + 4H2 CH4 + 2H2O D. de carbono Hidrógeno Metano Agua Metanogénicas Acetoclásticas CH COOH 3 CH4 + CO2 Ac. Acético Metano D. de carbono Figura 8. Reacciones bioquímicas durante la metanogénesis Fuente: Hernández, 1992El grupo de metanogénicas se localiza al final de la cascada de nutrientes y son losencargados de convertir el CO 2 , H2 , y acetato a metano (MacLeod et al, 1990).Investigaciones realizadas por MacLeod et al (1990) en lodos de digestoresanaerobios , identificaron como el principal metanógeno hidrofílicoMethanospirillum hungatei también se identificó Methanobrevibacter sp, yMethanosarcina sp en pequeños agregados (Dubourguier, 1993).2.5. Sistema actual de tratamiento de aguas residuales de la cervecería enestudioLa planta de tratamiento de aguas residuales estudiada se encuentra ubicadadentro del área de la planta de producción de la industria cervecera. Cue nta conun tratamiento primario constituido por sistemas de desbaste de sólidos y untratamiento secundario de tipo anaerobio con reactores de mezcla completaversión UAS presentados como ANAPULSE (reactor anaerobio de manto delodos pulsado). La llegada de los vertimientos a la planta proviene de dosgrandes corrientes; la principal, correspondiente al drenaje de tapas, maltería,cocinas, cavas, y casino, incluyendo aguas sanitarias; y la corriente que provienedel salón de envases y planta de llenado de latas, entra a la planta como unacorriente diferente (Figura 9). 25
  46. 46. Sala de máquinas y calderas Tapas y Malteria Salón de Envase Cavas Planta de Cocinas Cocina Nordon Steineker Llenado de latas Alcantarillado CasinoPlanta de Tratamiento de Aguas Residuales Figura 9. Origen de los vertimientos que llegan a la planta de tratamiento de aguas residuales 26
  47. 47. 2.5.1. Tratamiento primarioLa planta cuenta con un tratamiento primario en donde por medio de procesosfísicos como el desbaste por rejillas y tamices, se lleva a cabo la separación desólidos de mayor tamaño, y una posterior desarenación en donde se retiran porsedimentación arenillas, tierra diatomácea y en general sólidos suspendidos.En vista que los vertimientos tratados en la planta, son recibidos en dos grandescorrientes; la corriente de tapas, maltería, cocinas, cavas, casino, y aguassanitarias sufre un procesos físico de desbaste por tamices estáticos; mientras quela corriente de envases y de la planta de llenado de latas sufre un desbaste portamices gruesos rotatorios, dado el tamaño de los sólidos a separar provenientesde esta corriente (tapas, colillas y etiquetas principalmente).2.5.2. Tratamiento secundarioEn el tratamiento secundario se lleva a cabo un proceso biológico de tipoanaerobio, el cual involucra los procesos de hidrólisis, acidificación, acetogénesis,y metanogénesis.2.5.2.1. Homogenización de caudalesPosterior al tratamiento físico por desbaste y desarenación la dos corrientes seunen al llegar al tanque de ecualizació n, donde es llevada a cabo lahomogenización de caudales. Este tanque tiene una capacidad volumétrica de770m3, maneja un caudal promedio de 216m 3/h, un tiempo de retención hidráulicade 3.6h y un pH que varia entre 6-10; condiciones dadas al momento del estudio(Figura 10). 27
  48. 48. Envase -Planta de llenado de latas Tamices gruesos Cavas y Cocinas rotatorios TK. ECUALIZACIÓN DESARENADOR Q= 216 m 3/h Volumen: 1680m 3 TRH= 7.8h TRH= 3.6h pH= 6-10 TK. ACIDIFICACIÓNRecolección de Cascarilla TAMIZADO Bomba sumergible Mezclador sumergible TK. BOMBEO 86 m3 TK. NEUTRALIZACIÓN 35 m3 TRATAMIENTO PRIMARIO TRATAMIENTO SECUNDARIO Figura 10. Planta de tratamiento de aguas residuales en estudio Fuente: Industria cervecera, 1999 28
  49. 49. 2.5.2.2. AcidificaciónEl proceso de acidificación es llevado a cabo en un tanque cuyas condiciones deoperación están determinadas por una capacidad volumétrica de 1680m3 , untiempo de retención hidráulica de 7.8 horas, y un pH entre 5.8 - 6.2. En esta etapadel proceso se lleva a cabo la adición de micronutrientes como son sales de hierro,zinc, cobalto y molibdeno, al igual que macronutrientes como urea (Figura 10).Transcurrido el tiempo de retención en este tanque el agua pasa por rebose altanque de neutralización a fin de controlar las condiciones de pH previo a laentrada a los reactores, esto se lleva a cabo mediante sensores de pH dispuestosen las tuberías, siendo controlado con adición de soda cáustica hasta alcanzar unpH de 6.8 – 7.2.Posteriormente la corriente pasa por rebose al tanque de bombeo en dondesensores de flujo unidos a las tuberías facilitan la medición del caudal.2.5.2.3. Proceso metanogénicoPara llevar a cabo el proceso metanogénico el sistema cuenta con cuatro reactoresanaerobios de mezcla completa de versión UAS de manto de lodos de lechopulsado con recirculación de lodos desde un decantador lateral utilizando para elloel mismo biogás.Las condiciones de operación de los reactores están determinadas por unacapacidad volumétrica de 1620m 3, un volumen de reacción de 655m3 , y dado quelos reactores operan por pulsos ma nejan un caudal promedio de 60–80m3 cada 10minutos y tienen un tiempo de retención hidráulica de 4 horas. Posteriormente elagua tratada se dirige hacia una canaleta Parshall, de allí es vertida alalcantarillado, donde tiene como cuerpo receptor el río Bogotá, siendo en parteutilizada para riego agrícola (Figura 11).La planta de tratamiento de aguas residuales cuenta con un sistema de eliminaciónde olores en el cual el control del H2S producido en los tanques de ecualización,acidificación, neutralización y bombeo, se realiza extrayendo el colchón de gas 29
  50. 50. formado en estos tanques y haciéndolo pasar por una resina empacada la cualabsorbe el H2 S (Pabón, 1998).El biogás producido es llevado a través de una tubería hacia una tea decombustión siendo regulado el caudal y la presión del mismo mediante ungasómetro. 30
  51. 51. T. Neutralización T. de bombeo. T. Neutralización Temperatura: 26 - 27 grados ºC pH: 7.17 Bomba sumergible Reactor 1 Reactor 2 Volumen : 1620m 3 V. de reacción: 655m3 Canaleta PARSHALL Figura 11. Diagrama de los reactores de mezcla completa versión UAS Fuente: Industria cervecer a, 1999 31
  52. 52. 2.6. Microorganismos indicadores de la calidad del agua residualDentro de los organismos patógenos para el hombre que se transmiten por el aguase incluyen virus, bacterias y protozoarios, éstos organismos se desarrollan en elintestino y abandonan al organismo en las heces. Entonces la contaminación fecalde los suministros de agua puede ocurrir y si ésta no es tratada adecuadamente lospatógenos penetran en un nuevo huésped al consumir agua (Brock & Madigan,1999).Dado el impacto que pueden ocasionar los microorga nismos patógenos sobre lasalud pública; recientes investigaciones se han dedicado a la detección rápida delos indicadores tradicionales como lo son los coliformes y otros organismos queactúan como patógenos emergentes transmitidos por el flujo de agua en caso deser reutilizada para suministro directo en operaciones de limpieza oindirectamente en el riego de cultivos, lo que generaría un alto riesgo decontaminación para el hombre, representado en infecciones gastrointestinales,enfermedades transmitidas por alimentos que ha sido regados con aguas tratadas yen general el desencadenamiento de brotes epidemiológicos por contacto condichos patógenos, afectando por ende la calidad de vida (Baker, 1998).Como consecuencia de la contaminación fecal, las aguas residuales presentanregularmente una contaminación con varios patógenos, incluyendo Salmonellasp., Helicobacter sp. , Listeria sp. , y Campylobacter sp. ; además algunasinvestigaciones han mostrado la prevalencia de gastroenteritis en los trabajadoresde las plantas de tratamiento de aguas residuales en donde síntomasgastrointestinales y constantes dolores abdominales se han atribuido a la presenciade patógenos entéricos en las corrientes tratadas (Kearney et al., 1993, Baker etal., 1999)Estudios realizados en sistemas de digestión anaerobia han demostrado lapresencia de bacterias entéricas como E.coli, Salmonella typhimurium, Yersiniaenterocolitica, Listeria monocytogenes y Campylobacter jejuni tras tratamientosde tipo anaerobio, teniendo en cue nta que las aguas residuales tratadas incluían 32
  53. 53. aguas sanitarias (aguas domésticas), siendo estas la principal fuente decontaminación de origen fecal (Kearney et al, 1994).En los países desarrollados el principal objetivo del tratamiento es la remoción demateria orgánica y nutrientes, pues una tifoidea o un caso de parasitismo sonexcepcionales. En cambio, en los países en desarrollo, el objetivo prioritario detratamiento de las aguas residuales debe ser la remoción de parásitos, bacterias yvirus patógenos que ocasionan enfermedades endémicas (CEPIS, 1995).Las excretas y las aguas residuales contienen generalmente elevadasconcentraciones de agentes patógenos, sobre todo en países donde predominan lasenfermedades diarreicas y los parásitos intestinale s. Dada la importancia quereviste a nivel de salud pública; es necesario mantener un sistema de vigilanciapara la evaluación de microorganismos patógenos que pudieran desencadenarbrotes epidemiológicos. Las aguas superficiales juegan un papel importante en latransmisión de agentes patógenos descargados a través de las heces humanas yanimales. Estos agentes llegan a esta agua, provenientes de aguas residualesdomésticas e industriales y pueden retornar a los humanos por varias vías como eluso de esta a gua para recreación, deportes, riego, así como agua potable (Tabla 9)(Khuder, 1998). Tabla 9. Microorganismos patógenos PATOGENOS CARACTERÍSTICA FOTOGRAFIA RFERENCIA Bacilo Gram negativo de la familia Enterobacteriaceae, Le Minor, Salmonella sp. anaerobio facultativo, patógeno Bergey´s en humanos causante de Manual 1984 gastroenteritis y septicemia. Bacilo Gram positivo, aerobio y anaerobio facultativo, habitante de aguas residuales, suelo y Seeliger & Listeria sp ensilajes, esta asociada con Jones, enfermedades de riesgo severo Bergey´s como septicemia, cefalea y Manual 1984 meningitis 33

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