Diseño de Sistemas De Biopelícula para tratamiento aguas residuales (página 2)

PREMISAS PARA DEDUCCIÓN DE UNA ECUACIÓN GENERAL DE DISEÑO, PARA PROCESOS DE BIOPELÍCULA.

La concentración de DBO en el agua residual varía a lo largo del reactor. La concentración de DBO disminuye en el sentido del flujo. El movimiento de cada partícula es siempre hacia adelante y no hay mezcla retrograda. La cinética de reacción es de segundo orden e irreversible. El reactante A es la materia orgánica expresada como DBO (alimento) y del reactante B son los microorganismos que se alimentan de la materia orgánica. La concentración del reactante B depende del área del medio plástico y condiciones del proceso. El producto de la reacción es el incremento de biomasa de los microorganismos, que es a la vez es el reactante B. (No incluye otros subproductos resultantes del metabolismo de los microorganismos). La relación M = reactante B / reactante A, varía continuamente en el tiempo. Los reactantes A y B, no se alimentan de acuerdo a alguna relación estequiométrica (Siempre existirá reactante B para cualquier concentración del reactante A). El medio en que se realiza el proceso (aguas residuales) es de densidad constante, por lo que se puede ignorar la variación de volumen del caudal por el efecto de la temperatura. Se considera únicamente el comportamiento del proceso en régimen estacionario (no se aborda la etapa en que no se han alcanzado dichas condiciones). Sí disminuye el gasto masa de DBO que alimenta al proceso de Biopelícula, se dificulta la alimentación de los microorganismos, se favorece el desprendimiento de la biopelícula del medio plástico y disminuye la concentración de B en el reactor. Sí aumenta el gasto masa de DBO alimentado al reactor, se favorece la alimentación y crecimiento de los microorganismos, y aumenta la concentración de B en el reactor.

ECUACIÓN DE DISEÑO

Tomando en cuenta el marco conceptual mencionado, se definen las variables y relaciones siguientes:

Fa = Gasto de masa de entrada del reactante A, DBO mg/s.

Xa = Fracción del reactante A convertida en producto, adimensional.

– ra = Velocidad de reacción del reactante A, basada en volumen de fluido

V = Volumen total del reactor

dV = Diferencial de volumen

El balance de materia, se expresa:

Entra = sale + degrada (oxida)

En donde los componentes del balance, son:

Entra = Fa (gasto masa de entrada)

Sale = Fa + dFa (gasto masa con la fracción convertida en producto)

Degrada = – ra dV (desaparece por reacción)

Substituyendo:

Fa = (Fa + dFa) + (- ra ) dv

dFa = ra dv

La variación diferencial del gasto masa del reactante A en términos de la fracción convertida

Cao = Concentración inicial del reactante A, en mg/l

Q = Gasto volumétrico del fluido, l/s

En esta relación:

Cao = Concentración inicial de DBO en mg / l

Cbo = Concentración de microorganismos en el reactor en mg/l

La concentración Cbo en mg/l, es el peso de la biopelícula (Wp) en mg, dividido entre el volumen del reactor (Vr) en litros.

Cbo = Wp / Vr, en mg/ l

Wp = Peso de la biopelícula, en mg

Vr = Volumen del reactor, en litros

El peso de los microorganismos Wp en mg, es el volumen de la biopelícula Vp en cm3 multiplicado por el peso específico de la biopelícula Yp en mg/cm3.

Wp = Vp x Yp, en mg

Vp = Volumen de la biopelícula, en cm3

Yp = Peso especifico de la biopelícula, en mg / cm3

El volumen de la biopelícula Vp en cm3, es el área de la biopelícula Ap en cm2 multiplicada por el espesor medio de la biopelícula Ep en cm.

Vp = Ap x Ep en cm3

Ap = Area de la biopelícula en cm2

Ep = Espesor medio de la biopelícula en cm

Sea la relación M:

El caudal del influente Q se expresa en m3/d, para obtener el volumen del reactor en m3.

Vr =Q tr

Vr = m3/d. d = m3

Para obtener el área total de contacto At (medio plástico) en metros cuadrados, se aplica el valor de la de la densidad del medio en m2/m3.

k, es la constante cinética Por ser una reacción con cinética de segundo orden se expresa en Tiempo-1.Concentración –1. En este caso, día -1. (mg/l)-1 El valor determinado experimentalmente para PFS a temperatura de 20 ºC, k = 0.016 días-1 . ( mg/l ) -1

P, es proporcional a la concentración de microorganismos en la superficie de medio plástico, depende del espesor de la biopelícula y su peso especifico. Ep. Yp (cm. mg/cm3 = mg/cm2). El valor determinado experimentalmente para PFS a temperatura de 20 ºC, P = 2.3 mg / cm2.

REQUERIMIENTOS DE ÁREA PARA DIFERENTES PROCESOS DE BIOPELICULA

Para mostrar las diferencias de requerimientos de área entre diferentes sistemas de biopelícula, se presenta como ejemplo, un influente unitario (1l/s) con DBO de 200 mg/l, y se calculan las áreas de contacto para niveles de remoción de 0% a 90 %. En la figura 1 se presentan los resultados. Las ecuaciones aplicadas se presentan a continuación.

BIOFILTRO

Biodiscos

BIOFILTRO AEREADO SUMERGIDO, BAS.

Ecuación Rusten Bjorn: r DQO = 273 * BDQO / (BDQO+360)

BDQO.- Carga orgánica aplicada en g DQO/m2/d

r DQO.- Tasa de remoción en g DQO removidos/m2/d

La relación entre la concentración de la DQO y la DBO, la expresa en la forma siguiente:

DBO = 0.381DBO-8.8 en mg/l

PELÍCULA FIJA SUMERGIDA, PFS.

Ecuación de David Gómez : Ecuación de este artículo.

k = 0.016 días-1 . ( mg/l ) -1

P = 2.3 mg / cm2.

D = Densidad del empaque = 330 cm2/l

Figura 1. Ejemplo de requerimientos de área para BIOFILTRO (Germaín), BIODISCOS (kinkanon), BIODISCOS ( Popel), BAS (Rusten) y PFS (Gómez)

APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN GENERAL DE DISEÑO EN LOS SISTEMAS DE BIOFILTRO, BIODISCOS Y BAS.

La ecuación general de diseño presentada en este artículo, deducida originalmente para el sistema de Película Fija Sumergida (PFS), puede aplicarse también para el diseño de Biofiltros, Biodiscos y Biofiltro Aereado Sumergido (BAS), aplicando valores de lo parámetros P y K, que reflejen las características de estos sistemas.

Teóricamente el valor del parámetro P será menor para los sistemas que tienen menos superficie plástica activa, cuando hay menor contacto entre la biopelícula y la materia orgánica disuelta en el agua residual; cuando hay menor contacto de la Biopelícula con el oxígeno; y cuando son más débiles las fuerzas que remueven la biopelícula envejecida, parcialmente muerta.

Teóricamente el valor del parámetro k será menor en los sistemas en que se desarrollen microorganismos con menor capacidad para oxidar la materia orgánica disuelta en el agua residual.

A continuación se presentan ejemplos para Biofiltro y Biodiscos que corresponden a un caudal unitario de 1 l/s, concentración inicial de DBO de 200 mg/l, y niveles de remoción de 10% a 90%. El ejemplo del sistema BAS, presenta concentraciones de 100 mg/l a 360 mg/l., para comparar con la ecuación de Rusten Bjorn, que se basa en la carga orgánica por unidad de superficie plástica.

Para aplicar la ecuación general de diseño al sistema de Biofiltro, los valores de P, k y D son los siguientes: P = 3.275 mg / cm2. k = 0.006 días-1 . ( mg/l ) –1 . D = 880 cm2/l. Los cálculos del área de contacto con las ecuaciones de Germain y de Gómez, dan resultados similares, según se muestra en la figura 2.

Para aplicar la ecuación general de diseño al sistema de Biodiscos, los valores de P, k y D son los siguientes: P = 2.105 mg / cm2. k = 0.016 días-1 . ( mg/l ) –1 . D = 150 cm2/l. Los cálculos del área de contacto con las ecuaciones de Germain y Gómez, dan resultados similares, según se muestra en la figura 3.

FIGURA 3

Para aplicar la ecuación general de diseño al sistema de Biofiltros Aereados Sumergidos (BAS), los valores de P, k y D son los siguientes: P = 0.615 mg / cm2. k = 0.016 días-1 . (mg/l) –1 . D = 880 cm2/l. El cálculo del área de contacto con las ecuaciones de Germain y Gómez, dan resultados similares, según se muestra en la figura 4.

El lector podrá observar que la ecuación general es aplicable a los Sistemas de: Biofiltro, Biodiscos, Biofiltro Aereado Sumergido y Película Fija Sumergida, utlizando los valores de los parámetros P y k, que en este articulo se señalan. Los valores de densidad (D) del material plástico que se aplicaron, son los más comunes y comerciales que se fabrican para Biofltro, Biodiscos, BAS y PFS.

REFERENCIAS

Levenspiel O. (1980). Chemical Reaction Engineering. Illinois Institute of Technology. John Wiley. López S.M. (1994). Desarrollo del sistema denominado "placas Biológicas" en el tratamiento de aguas residuales domésticas. Tesis Facultad de Química UNAM, México.

D.Gómez S. Ecuación de diseño para PFS, XII Congreso Nacional 2000. FEMISCA.

Benefield L.D., Wetzel E.D.., Heidman J. (1988). Activated sludge systems with biomass particle Support Structures. Bioengineering, Vol. 31, págs. 682-695.

Rusten B. (1984). Wastewater treatment with aerated submerged biological filters. Journal WPCF. Volumen 56. No. 5, págs. 404-431.

Stensel H.D. Brener R.C., Lee K.M., Meker H. y Raknes K. (1988). Biological Aerated Filter Evaluation. Journal of Environmental Engineering. Vol. 114. No. 3, págs. 655-671.

Walas S.M.(1980). Cinética de Reacciones Químicas. Universidad de Kansas. Editorial Aguilar.

López S.M. (1994). Desarrollo del sistema denominado "placas Biológicas" en el tratamiento de aguas residuales domésticas. Tesis Facultad de Química UNAM, México.

Nicol J. P., Benefield L.D., Wetzel E.D.., Heidman J. (1988). Activated sludge systems with biomass particle Support Structures. Bioengineering, Vol. 31, págs. 682-695.

AGRADECIMIENTOS

Doctor Pedro Martínez Pereda

Ing. Miguel Ángel de la Peña

Ing. Mónica López Santos

Delegación Xochimilco, DDF

Nacional de Tecnologías

Autor:

M. I. David Gómez Salas