DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS CINÉTICAS Y RENDIMIENTO EN FILTROS PERCOLADORES DE LA PTAR PUCHUKOLLO, PARA AGUAS RESIDUALES DE LA CIUDAD DE EL ALTO

Índice de Tablas IV Índice de Figuras VII Índice de Tablas - ANEXOS X Índice de Figuras - ANEXOS XI Introducción 1 1. Antecedentes 1 2. Situación Problemática 1 3. Formulación del Problema de investigación 2 4. Justificación 2 5. Objeto de Estudio 3 6. Campo de Acción 3 7. Formulación de la construcción teórica 3 7.1. Hipótesis 3 7.2. Idea 3 8. Objetivos 4 8.1. Objetivo General 4 8.2. Objetivos Específicos 4 9. Diseño Metodológico 4 Capítulo I 6 1. MARCO TEÓRICO Y CONTEXTUAL 6 1.1. Marco teórico 6 1.1.1. Filtros Percoladores 6 1.1.1.1. Introducción 6 1.1.1.2. Descripción del proceso 7 1.1.1.3. Partes de las que consta un filtro percolador 8 1.1.1.4. Mecanismo de remoción de la DBO 10 1.1.1.5. Parámetros básicos del proceso. 11 1.1.1.6. Clasificación de los Filtros Percoladores 12 1.1.1.7. Consideraciones de diseño 14 1.1.1.8. Parámetros de diseño 17 1.1.1.9. Modelo general de diseño 18 1.1.1.10. Recirculación 20 1.1.1.11. Factores que inciden en la eficiencia de purificación 21 1.1.2. Modelos cinéticos aplicados a Filtros percoladores 24 1.1.2.1. Introducción 24 1.1.2.2. Modelos matemáticos 24 1.1.2.3. Cinética con crecimiento limitante de sustrato 25 1.1.3. Modelos aplicados al diseño de filtros percoladores 34 1.1.3.1. Fórmula de la National Research Council (NRC) 35 1.1.3.2. Galler y Gotaas 39 1.1.3.3. Fórmula de Rankin 40 1.1.3.4. Fórmula de Triebal 40 1.1.3.5. Modelo de Bruce y Merkens 41 1.1.3.6. La Fórmula de Velz 42 1.1.3.7. La fórmula de Schulze 44 1.1.3.8. La fórmula de Germain 45 1.1.3.9. La fórmula de Eckenfelder 48 1.1.3.10. El modelo de Kincannon y Stover 57 1.1.3.11. Fórmula de Oleszkiewicz (Oleszkiewicz, 1980) 57 1.1.3.12. El modelo de Logan 60 1.1.3.13. Institución autorizada para el agua y Gestión ambiental 61 1.1.3.14. Práctica británica 62 1.1.4. Selección de un modelo de filtro percolador 64 1.1.5. Nitrificación 65 1.1.5.1. Hojas de flujo de proceso y Biorreactor 69 1.2. Marco contextual 70 1.2.1. Planta de tratamiento de aguas residuales Puchukollo 70 1.2.1.1. Ubicación de la planta de tratamiento 70 1.2.1.2. Descripción de las Unidades del sistema de depuración. 70 1.2.1.3. Descripción de unidades de la planta de tratamiento. 71 1.2.1.4. Ampliación de la Planta de tratamiento mediante Filtros Percoladores 74 1.2.2. Cálculo de las constantes del modelo de primer orden 83 1.2.2.1. Determinación de n y k a temperatura constante 83 Capítulo II 88 2. DIAGNÓSTICO 88 2.1. Filtros percoladores 88 2.1.1. Generales sobre filtros percoladores 88 2.1.2. Consideraciones sobre el diseño del proceso 88 2.1.2.1. Sistemas de distribución 90 2.1.3. Filtros elegidos para la planta en Puchukollo 92 2.1.4. Etapa 1 (Etapa 1a y etapa 1 b) 93 2.2. Determinación de n y k de Eckenfelder 97 2.3. Determinación de coeficientes cinéticos por el modelo de Monod, Stover-Kincannon y el Modelo de Grau. 98 2.4. Cálculo de n y k 102 2.4.1. Datos del filtro percolador caso Puchukollo 102 2.4.2. Determinación de n y k SIN RECIRCULACIÓN 102 2.4.3. Determinación de n y k CON RECIRCULACIÓN 108 2.5. Evaluación del Modelo de Eckenfelder desde el punto de vista de la Recirculación 113 2.5.1. Evaluación del modelo de Eckenfelder SIN RECIRCULACIÓN 113 2.5.2. Evaluación del modelo de Eckenfelder CON RECIRCULACIÓN 115 2.6. Evaluación de los Modelos Cinéticos 117 2.6.1. Modelo de la fórmula de Oleszkiewicz 118 2.6.2. Modelo de Stover-Kincannon 119 2.6.2.1. Evaluación para DBO5 119 2.6.2.2. Evaluación para DQO 121 2.6.2.3. Evaluación para el nitrógeno 123 2.6.3. Modelo cinético de segundo orden Grau 127 2.6.3.1. Evaluación para DBO5 127 2.6.3.2. Evaluación para DQO 128 2.6.4. Modelo cinético de Monod 130 2.6.4.1. Modelo basado en Mckinney 130 2.6.4.2. Modelo basado en Eckenfelder 131 2.6.5. Evaluación de eficiencias de DBO5 132 2.6.5.1. Eficiencia en los filtros percoladores existentes en la PTAR Puchukollo 134 2.6.6. Evaluación de eficiencias de DBO5 a partir de los modelos matemáticos empíricos y cinéticos descritos en el punto 1.1.3. 137 Capítulo III 144 3. PROPUESTA 144 3.1. Para el modelo de Eckenfelder sin tomar en cuenta la recirculación 144 3.2. Para el modelo de Eckenfelder tomando en cuenta la recirculación 146 3.3. Evaluación de los Modelos Cinéticos 147 3.3.1. Modelo de la fórmula de Oleszkiewicz 147 3.3.2. Modelo de Stover-Kincannon 147 3.3.3. Modelo cinético de segundo orden Grau 148 3.3.4. Modelo cinético de Monod 148 3.3.4.1. Modelo basado en Mckinney 148 3.3.4.2. Modelo basado en Eckenfelder 148 3.4. Evaluación de los Modelos Cinéticos 149 Capítulo IV 150 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 150 4.1. CONCLUSIONES 150 4.2. RECOMENDACIONES 152 5. Bibliografía 153 ANEXOS 157 6. ANEXOS 158   Índice de Tablas Tabla 1.1: Características principales de los filtros percoladores 13 Tabla 1.2: Características físicas de medios para filtros percoladores 14 Tabla 1.3: Información general sobre el diseño de filtros percoladores 15 Tabla 1.4: Valores típicos de diseño para filtros percoladores 17 Tabla 1.5: Factor por el que se afecta el volumen del filtro al aumentar la altura H, para 5 valores de n 23 Tabla 1.6: Resumen de ecuaciones para tasas netas de remoción de sustrato soluble (dS/Xdt) 26 Tabla 1.7: Nombres y unidades de las constantes cinéticas para remoción de sustrato 26 Tabla 1.8: Parámetros utilizados en las fórmulas de rendimiento de depuración de los Filtros Percoladores 34 Tabla 1.9: Coeficientes para el modelo británico 50 Tabla 1.10: Coeficientes de tratabilidad para la ecuación 1.97 (Oleszkiewicz, 1980) 59 Tabla 1.11: Clasificación de filtros percoladores. 69 Tabla 1.12: Etapas Proyecto de Factibilidad PTAR 73 Tabla 1.13: Frecuencia del control de un Filtro Percolador. 82 Tabla 2.1: Valores para el diseño (Altura de Filtro - 6 m /Temperatura 20 Grados C) 89 Tabla 2.2: Filtros percoladores 92 Tabla 2.3: Construcción de los filtros 93 Tabla 2.4: Caudales de diseño de las tuberías y los canales de los filtros 93 Tabla 2.5: Calculo teórico 93 Tabla 2.6: Caudales máximas para la etapa 1 94 Tabla 2.7: Caudales mínimos para la etapa 1 94 Tabla 2.8: Carga hidráulicas superficiales (qf / (m3/(m2·h)) con el caudal mínimo (según indicaciones del proveedor) de 120 l/s 95 Tabla 2.9: Valores para SK para 6 brazos en función 95 Tabla 2.10: Valores de Caudal y Tasa de aplicación superficial 102 Tabla 2.11: Valores de Se/Sa*100 a diferentes cargas hidráulicas y alturas, sin recirculación 103 Tabla 2.12: Valor de la pendiente a diferentes cargas hidráulicas, sin recirculación 103 Tabla 2.13: Relación de Concentraciones S0/Se vs Profundidad de Filtro, sin recirculación 104 Tabla 2.14: Relación de LN de Pendiente vs LN de tasa (q), sin recirculación 105 Tabla 2.15: Evaluación de modelo encontrado para la concentración de DBO5, sin recirculación 107 Tabla 2.16: Datos ingresados para el análisis del modelo de eckenfelder con recirculación 108 Tabla 2.17: Valores de Se/Sa*100 a diferentes cargas hidráulicas y alturas, considerando recirculación 109 Tabla 2.18: Relación de Concentraciones S0/Se vs. Profundidad de Filtro, considerando recirculación 110 Tabla 2.19: Relación de LN de Pendiente vs. LN de tasa (q), con recirculación 111 Tabla 2.20: Evaluación de modelo encontrado para la concentración de DBO5, con recirculación 112 Tabla 2.21: Evaluación de modelo de Eckenfelder sin recirculación en función de incrementos de recirculación 114 Tabla 2.22: Evaluación de modelo de Eckenfelder con recirculación en función de incrementos de recirculación 115 Tabla 2.23: Datos ingresados para el análisis del modelo de Monod, Stover-Kincannon, Modelo de segundo orden Grau 117 Tabla 2.24: Promedio de datos para el análisis del modelo de Monod, Stover-Kincannon, Modelo de segundo orden Grau 118 Tabla 2.25: Datos calculados para el modelo de la formula de Oleszkiewicz 118 Tabla 2.26: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para DBO5 119 Tabla 2.27: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para DBO5 120 Tabla 2.28: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para DBO5 120 Tabla 2.29: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para DBO5 según la formula en función de la carga orgánica en superficie 121 Tabla 2.30: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para DQO 121 Tabla 2.31: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para DQO 122 Tabla 2.32: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para DQO 122 Tabla 2.33: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para DQO según la formula en función de la carga orgánica en superficie 123 Tabla 2.34: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para NH3 123 Tabla 2.35: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para NH3 124 Tabla 2.36: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para NH3 124 Tabla 2.37: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para NH3 según la formula en función de la carga orgánica en superficie 125 Tabla 2.38: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para NT 125 Tabla 2.39: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para NT 126 Tabla 2.40: Resultados y constantes Kb y Umax de Stover-Kincannon para NT según la formula en función de la carga orgánica en superficie 126 Tabla 2.41: Evaluación del modelo cinético de Segundo orden Grau para DBO5 127 Tabla 2.42: Resultados y constantes K2(s) y X según el modelo cinético de Segundo orden Grau para DBO5 128 Tabla 2.43: Evaluación del modelo cinético de Segundo orden Grau para DQO 129 Tabla 2.44: Resultados y constantes K2(s) y X según el modelo cinético de Segundo orden Grau para DQO 129 Tabla 2.45: Evaluación del modelo cinético de Monod basado en Mckinney para DBO5 130 Tabla 2.46: Resultados y constantes Ks y X*k según el modelo cinético de Monod basado en Mckinney para DBO5 131 Tabla 2.47: Evaluación del modelo cinético de Monod basado en Eckenfelder para DBO5 131 Tabla 2.48: Resultados y constantes Ks y X*k según el modelo cinético de Monod basado en Eckenfelder para DBO5 132 Tabla 2.49: Evaluación de la eficiencia de DBO5 vs. la tasa de aplicación superficial qv 132 Tabla 2.50: Evaluación de la eliminación de DBO5 vs. la carga orgánica volumétrica 133 Tabla 2.51: Evaluación de la eficiencia de DQO vs. la tasa de aplicación superficial qv 133 Tabla 2.52: Evaluación de Carga orgánica superficial de DBO eliminada vs carga orgánica superficial de DBO. 133 Tabla 2.53: Evaluación de eficiencias utilizando los modelos matemáticos para filtros percoladores descritos en el punto 1.1.3, para los filtros percoladores de la PTAR Puchukollo bajo diferentes recirculaciones y Carga Orgánica Volumétrica 138   Índice de Figuras Figura 1.1: Esquema de un filtro percolador 6 Figura 1.2: Corte y detalles de un filtro percolador típico 7 Figura 1.3: Algunos tipos de empaques plásticos: a) Bionet. b) Norton. Actifil. c) Norpac. d) Plasdek. 10 Figura 1.4: Representación esquemática de la película biológica sobre un elemento de empaquetadura. 11 Figura 1.5: Diagrama de flujo de un sistema de filtro percolador. 1) Sedimentador primario. 2) Filtro. 3) Sedimentador secundario. 12 Figura 1.6: Efecto de la recirculación sobre la eficiencia. 1. Calculada a partir de S0. Calculada a partir de Sm. 21 Figura 1.7: Efecto de la recirculación sobre las cargas hidráulica y orgánica. 21 Figura 1.8: Influencia de la carga hidráulica sobre la eficiencia. 22 Figura 1.9: Variación del volumen de empaque con la profundidad para distintos valores de n. 23 Figura 1.10: Diagrama de Operación de una Planta Piloto de LACM 27 Figura 1.11: Gráfico de Lineweaver-Burk para la Ecuación de Remoción de Sustrato 28 Figura 1.12: Constantes Cinéticas en Condiciones de Inanición 29 Figura 1.13: Concentración de sustrato respecto la velocidad de crecimiento bacteriano 30 Figura 1.14: Guía para la selección de la relación de la recirculación 38 Figura 1.15: Eliminación de DBO vs. (a) carga hidráulica y (b) carga orgánica a dos profundidades medias de 89 m2/m3 del medio VTC. 38 Figura 1.16: Determinación de μmax y kb 39 Figura 1.17: Gráfico para la determinación de K (Oleszkiewicz, 1980). 58 Figura 1.18: Gráfico para la determinación de D óptima (Oleszkiewicz, 1980). 59 Figura 1.19: Gráfico para la determinación de la recirculación óptima (Oleszkiewicz, 1980). 59 Figura 1.20: Predicciones de eliminación de DBO de modelos británicos y estadounidenses 63 Figura 1.21: Relación de n a la zona de superficie del medio 63 Figura 1.22: Desempeño del carbón combinado en la oxidación-nitrificación 66 Figura 1.23: Eficiencia de nitrificación versus carga orgánica en filtros percoladores con medio de roca. 67 Figura 1.24: Eficiencia de nitrificación en función de la DBO5 filtrada o soluble en el efluente de un filtro percolador de flujo vertical en Stockton, California. 68 Figura 1.25: Eficiencia de nitrificación versus carga orgánica en filtros percoladores. 68 Figura 1.26: Ubicación de la PTAR Puchukollo. 70 Figura 1.27: Emisario Principal de la PTAR de Puchukollo. 70 Figura 1.28: Rejas en la planta de Puchukollo. 71 Figura 1.29: Desarenador en la planta de Puchukollo. 72 Figura 1.30: Parshall al ingreso a la Planta de Puchukollo. 73 Figura 1.31: Esquema de la Etapa 1 74 Figura 1.32: Esquema de la Planta de Puchukollo en la Actualidad (2013). 75 Figura 1.33: Cárcamos de bombeo al ingreso de los filtros percoladores – Puchukollo. 76 Figura 1.34: Sistema de distribución en los Filtros Percoladores de Puchukollo. 76 Figura 1.35: Ventilación, canal recolector de los Filtros de Puchukollo. 77 Figura 1.36: Válvula de alimentación del filtro – Puchukollo. 78 Figura 1.37: Medición del Peso del relleno de un filtro Percolador 79 Figura 1.38: Espumas en el efluente de los filtros - Puchukollo. 81 Figura 1.39: Puntos de muestreo en el Afluente y Efluente de los filtros – Puchukollo. 83 Figura 1.40: Gráfico para determinación de las pendientes 84 Figura 1.41: Gráfico para determinación de n- Ln (Neperiano) 85 Figura 1.42: Gráfico para determinación de k - Ln (Neperiano) 85 Figura 1.43: Gráfico para la determinación de las pendientes 86 Figura 1.44: Gráfico para la determinación de n - log normal 86 Figura 1.45: Gráfico para la determinación de k- log normal 87 Figura 2.1: Factores de corrección para diferentes alturas del filtro 89 Figura 2.2: Eficiencia del filtro 90 Figura 2.3: Distribución de las boquillas en un distribuidor 91 Figura 2.4: Vista en corte Filtro Percolador Puchukollo 92 Figura 2.5: Esquema de un filtro 96 Figura 2.6: Medición del peso del relleno 96 Figura 2.7: LN % de DBO remanente en función de la profundidad, sin recirculación 104 Figura 2.8: Relación de Concentraciones S0/Se vs Profundidad de Filtro, sin recirculación 105 Figura 2.9: Representación gráfica de kAsH en función de , sin recirculación 106 Figura 2.10: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder considerando los datos de partida para el modelo, sin recirculación 108 Figura 2.11: a) LN % de DBO remanente en función de la profundidad, b) Relación de Concentraciones Se/S0 vs. Profundidad de Filtro, considerando recirculación 110 Figura 2.12: Representación gráfica de kAsH en función de , con recirculación 111 Figura 2.13: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder considerando los datos de partida para el modelo, con recirculación 113 Figura 2.14: a) Eficiencia vs. Recirculación, b) Concentración de salida del FP vs. Recirculación, CONSIDERANDO MODELO ECKENFELDER SIN RECIRCULACIÓN 115 Figura 2.15: a) Eficiencia vs. Recirculación, b) Concentración de salida del FP vs. Recirculación, CONSIDERANDO MODELO ECKENFELDER CON RECIRCULACIÓN 117 Figura 2.16: Gráfico para el modelo de Oleszkiewicz 118 Figura 2.17: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para DBO5 119 Figura 2.18: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para DBO5 120 Figura 2.19: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para DQO 121 Figura 2.20: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para DQO 122 Figura 2.21: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para NH3 123 Figura 2.22: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para NH3 124 Figura 2.23: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon para NT 125 Figura 2.24: Evaluación del modelo cinético de Stover-Kincannon en función de la carga orgánica en superficie para NT 126 Figura 2.25: Evaluación del modelo cinético de Segundo orden Grau para DBO5 128 Figura 2.26: Evaluación del modelo cinético de Segundo orden Grau para DQO 129 Figura 2.27: Evaluación del modelo cinético de Monod basado en Mckinney para DBO5 130 Figura 2.28: Evaluación del modelo cinético de Monod basado en Eckenfelder para DBO5 131 Figura 2.29: Evaluación de la eficiencia de DBO5 vs. la tasa de aplicación superficial qv 132 Figura 2.30: Evaluación de Carga orgánica superficial de DBO eliminada vs carga orgánica superficial de DBO. 134 Figura 2.31: Evaluación de la eficiencia para DBO5 en los filtros percoladores PTAR Puchukollo 134 Figura 2.32: Evaluación de la eficiencia para DQO en los filtros percoladores PTAR Puchukollo 135 Figura 2.33: Concentraciones de DQO a la entrada y salida de los filtros Percoladores 135 Figura 2.34: Concentraciones de Fósforo a la entrada y salida de los filtros Percoladores 135 Figura 2.35: Concentraciones de Nitrógeno a la entrada y salida de los filtros Percoladores 136 Figura 2.36: Concentraciones de NH3 a la entrada y salida de los filtros Percoladores 136 Figura 2.37: Concentraciones de Temperatura a la entrada y salida de los filtros Percoladores 136 Figura 3.1: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder, para valores del Filtro 1 – PTAR Puchukollo, sin recirculación 144 Figura 3.2: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder, para valores del Filtro 2 – PTAR Puchukollo, sin recirculación 145 Figura 3.3: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder, para valores del Filtro 3 – PTAR Puchukollo, sin recirculación 146 Figura 3.4: Evaluación del sustrato remanente Real versus el sustrato remanente utilizando los coeficientes calculados por el modelo Eckenfelder, para valores promedio del Filtro – PTAR Puchukollo, con recirculación 147 Figura 3.5: Evaluación de eficiencias para modelos empíricos y cinéticos para las condiciones de los filtros percoladores de Puchukollo en función de la Recirculación. 149   Índice de Tablas - ANEXOS Tabla A 1: Caracterización de aguas residuales por mes, Afluente PTAR Puchukollo año 2018 158 Tabla A 2: Caracterización de aguas residuales por mes, Filtro 1 PTAR Puchukollo año 2018 158 Tabla A 3: Caracterización de aguas residuales por mes, Filtro 2 PTAR Puchukollo año 2018 159 Tabla A 4: Caracterización de aguas residuales por mes, Filtro 3 PTAR Puchukollo año 2018 159   Índice de Figuras - ANEXOS Figura A 1: Parámetros por mes y promedio Afluente: Caudal, DBO5, carga y Temperatura – PTAR Puchukollo año 2018 160 Figura A 2: Parámetros por mes y promedio efluente Filtro 1: Caudal, DBO5, carga y Temperatura – PTAR Puchukollo año 2018 161 Figura A 3: Parámetros por mes y promedio efluente Filtro 2: Caudal, DBO5, carga y Temperatura – PTAR Puchukollo año 2018 162 Figura A 4: Parámetros por mes y promedio efluente Filtro 3: Caudal, DBO5, carga y Temperatura – PTAR Puchukollo año 2018 163 Figura A 5: Parámetros por mes comparando Afluente y efluente en los filtros 1, 2 y 3: Caudal, DBO5, carga y Temperatura – PTAR Puchukollo año 2018 164 Figura A 6: Eficiencia del Filtro 1 – PTAR Puchukollo año 2018 165 Figura A 7: Eficiencia del Filtro 2 – PTAR Puchukollo año 2018 165 Figura A 8: Eficiencia del Filtro 3 – PTAR Puchukollo año 2018 165

En nuestros países, el objetivo principal del tratamiento de las aguas residuales es la remoción de los contaminantes y así mejorar sus propiedades, para que estas puedan cumplir con los requerimientos de las normas de vertimientos de aguas residuales a un cuerpo receptor. De esta manera se pretende disminuir el impacto sobre el ambiente y la salud de las personas. Modelos matemáticos para el diseño de filtros percoladores fueron propuestos por varios autores, todos ellos tratando de considerar la cinética de reacciones dados en el sistema biológico de la biopelícula adherida en la superficie fija. Para el diseño de filtros percoladores existen diferentes ecuaciones propuestas, a través de los años, por diferentes autores.