C4 Ingenieria Sanitaria-Procesos Biologicos de Tratamiento

7/25/2019 C4 Ingenieria Sanitaria-Procesos Biologicos de Tratamiento

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Universidad de ConcepcinFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Civil

INGENIERIA SANITARIA

CAPITULO 4

PROCESOS BIOLOGICOS DETRATAMIENTO

Captulo 4 - Procesos Biolgicosde Tratamiento

2Universidad de ConcepcinFacultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Civil

4.1. INTRODUCCION

Funcin de los sistemas biolgicos de tratamiento

Las biotransformaciones consisten de reacciones dexido/reduccin Las reacciones de oxidacin producen energa, la que es usada

con objeto de sntesis y mantencin.

Las reacciones de reduccin usan la energa disponible parasintetizar material celular nuevo.

Contaminantes(disueltos)

Productos(disueltos)

Biomasa

Sistemabiolgico


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Ecuacin estequiomtrica para la oxidacin biolgica deresiduos:

Definiciones: Organismos hetertrofos: usan carbono orgnico como fuente

de energa y carbono.

Organismos auttrofos: usan CO2 como fuente de carbono.

Organismos aerbicos: usan O2 como aceptor de electrones.Pueden ser obligados (slo O

2) o facultativos (O

2o NO

3

-).

Organismos anaerbicos: usan aceptores de electrones distintosal O2.

Organismos anxicos: reducen NO3- o NO3

- a N2.

C8H12N2O3 + 3O2 C5H7O2N + NH3 + 3CO2 + H2Obacterias

Casena Nueva

biomasa



Utilizacin del donor de electrones para produccin deenerga y sntesis:

Donor deelectrones

Clulasactivas

bacterianas

Productosfinales dereaccin

Residuocelular

Produccinde energa

Sntesiscelular

Crecimiento Decaimiento

Energa


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Para entender las ecuaciones estequiomtricas es tilsepararlas en los componentes de sntesis y energa:

Desagregar en semireacciones para destacar donores yaceptores de electrones:

5/8C8H12N2O3 + 65/8H2O 5CO2 + 10/8NH3 + 20H+ + 20e-

Sntesis de nuevas clulas:

Generacin de energa:

3/8C8H12N2O3 + 39/8H2O 3CO2+ 3/4NH3 + 12H+ + 12 e-

Donor:

Aceptor : 5CO2 + NH3 + 20H+ + 20e- C5H7O2N + 8H2O

3O2+12H+ + 12e- 6H2O

Donor:

Aceptor :

5/8C8H12N2O3 + 1/8H2O C5H7O2N + 1/4NH3Sntesis denuevas clulas:Generacin deenerga:

3/8C8H12N2O3 + 3O2 3CO2+ 3/4NH3+9/8H2O

C8H12N2O3 + 3O2 C5H7O2N + NH3 + 3CO2 + H2O



Diferencias en la produccin de energa asociadas ala utilizacin de diferentes aceptores de electrones.


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El crecimiento bacteriano requiere:1. Fuente de carbono para formar material celular

2. Fuente de energa para la sntesis celular Fottrofos obtienen energa de la radiacin electromagntica

Quimitrofos obtienen energa de reacciones qumicas

Quimioauttrofos: de reacciones qumicas inorgnicas

(ej., bacterias nitrificantes usan amoniaco y nitrito)

Quimiohetertrofos: de la oxidacin de compuestos orgnicos.

Si los quimitrofos usan un aceptor de electrones externo, tienen unmecanismo respiratorio.

Si los quimitrofos usan un aceptor de electrones interno, tienen unmecanismo fermentativo.

3. Fuente de nutrientes para formar material celular

Macronutrientes: N y P Otros nutrientes mayores: S, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl

Micronutrientes: Zn, Mn, Mo, Se, Cu, Ni



En cultivos tipo batch (cantidad fija de nutrientes ysubstrato orgnico, sin flujo), se obtiene la siguientecurva de crecimiento:

El tratamiento biolgico de aguas residualesdepende de un balance entre substrato y biomasa.

Faselag

Fasecrecimientoexponencial

Faseestacionaria

Fase muerte

Biomasa

Substrato

Tiempo

Concentracin


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Se requiere saber: Cunto substrato resulta en cunta biomasa?

Qu tan rpido se utiliza el substrato?

Coeficiente de rendimiento celular:

Se puede determinar de mediciones piloto o de laboratorio.

La materia orgnica en el residuo lquido se mide como DBO oDQO.

La biomasa se cuantifica como SSV (slidos suspendidosvoltiles).

Slidos totales: el residuo remanente despus de evaporar una muestra de

agua residual a 103-105 oC.Slidos suspendidos: fraccin de los slidos retenidos sobre un filtro contamao de poro especfico (1,58 m), medida despus de secar a 105oC.Slidos voltiles: fraccin de los slidos que se volatilizan y queman cuandostos son expuestos a altas temperaturas en un horno (500oC).

consumidasubstratodemasa

producidabacteriasdemasaY=



Muestra

Filtro(fibra de vidrio)

Evaporacin defiltro

Evaporacin defiltrado

SST SDT

Horno demufla

Horno demufla

SSV SSF SDV SDF

SVT SFT

ST

Evaporacin STConoImhoff

SSed ST

ST: slidos totalesSST: slidos suspendidos totalesSSV: slidos suspendidos voltilesSSF: slidos suspendidos fijosSDT: slidos disueltos totalesSDV: slidos disueltos voltilesSDF: slidos disueltos fijos


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El coeficiente de rendimiento celular tambin puededeterminarse de la ecuacin estequiomtrica:

Y en trminos de glucosa:

Y en trminos de DQO:

3C6H12O6 + 8O2 + 2NH3 2C5H7O2N + 8CO2 + 14H2O

PM: 3(180) 8(32) 2(17) 2(113)

glucosag

biomasag42.0

g/mol180moles3

113g/molmoles2Y =

=

La DQO es la demanda qumica de oxgeno = cantidad de oxgenorequerida para oxidar completamente el substrato.

Para glucosa: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

glucosag

DQOg07.1

g/mol180mol1

32g/molmol6

OHC

O

6126

2 =

=

DQOg

biomasag39.0

glucosa/gOg1.07glucosag/mol180glucosamoles3

113g/molmoles2Y

2

=

=



Para el diseo, tambin se requiere conocer el consumo de O2.El O2 es usado para convertir glucosa en energa y crearbiomasa. De la estequiometra:

3C6H12O6 + 8O2 + 2NH3 2C5H7O2N + 8CO2 + 14H2O

PM: 3(180) 8(32)

glucosag

Og474.0

lglucosa/mog180moles3

/molOg32moles8

glucosa

utilizadoO 222 =

=

DQOg

Og44.0

glucosag

DQOg07.1

glucosag

Og474.0

DQO

utilizadoO 222 ==

Porqu no es 1 g O2/g DQO consumida? La diferenciaest en la DQO de la biomasa:

C5H7O2N + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O

PM: 113 5(32)

biomasag

DQOg42.1

113

325

biomasag

DQOg=

=


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El coeficiente de rendimiento bacteriano era:

De 1 g de DQO que ingresa como glucosa, 56% sedestina a la produccin de DQO como biomasa y otro44% es oxidado por O2.

glucosaDQOg

DQOg56.0

glucosag

DQOg1.07

biomasag

DQOg1.42

glucosag

biomasag42.0

glucosag

biomasag42.0Y ===



Medidas de SustanciasOrgnicas

Carbono orgnico total (COT): medida del contenidode carbono.

Demanda qumica de oxgeno (DQO): medidaindirecta de la concentracin de material orgnico en

funcin del oxgeno requerido para oxidarlocompletamente.

Demanda bioqumica de oxgeno (DBO): la cantidadde oxgeno que ha sido utilizada por microorganismospara oxidar el material orgnico presente en la muestra.La oxidacin sigue una cintica de primer orden.


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Carbono Orgnico Total (COT) Para cantidades ms pequeas de materia orgnica, el

anlisis instrumental del COT es til.

En este ensayo, la muestra es evaporada y oxidadacatalticamente a CO2.

La cantidad de CO2 liberada se mide con un analizadorinfrarrojo.

Para asegurar que slo se mide carbn orgnico, lasmuestras se acidifican y airean para remover las formas

inorgnicas de carbono



Demanda Qumica de Oxgeno(DQO)

Este ensayo se usa para medir el contenido orgnico deaguas naturales, aguas servidas y aguas industriales.

Lo que se hace es medir los equivalentes de oxgeno

necesarios para oxidar la materia orgnica mediante unoxidante fuerte (dicromato de potasio) en un medio cido.

La diferencia entre la cantidad inicial y final, junto con laequivalencia correspondiente, determina la cantidad deoxgeno equivalente para oxidar la materia orgnica a CO2,H2O, NH4+, PO43-, SO42-, etc


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DQO El ensayo de DQO se usa mucho pues requiere poco tiempopara hacerse ( 3 horas) comparado con la DBO que tomavarios das.

Desafortunadamente, la DQO no distingue entre materiaorgnica oxidable biolgicamente o materia orgnica inerte.

Tampoco entrega informacin sobre la velocidad a la cual lamateria orgnica se oxidar biolgicamente.

Por ltimo, ciertos constituyentes inorgnicos como el

cloruro pueden interferir con el ensayo. Cuando estosconstituyentes estn presentes, deben removerse antes dedeterminar la DQO



Ejemplo Glucosa (C6H12O6):

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O DQO: 6*32 = 192 g/mol

COT: 6*12 = 72 g/mol

Etano (C2H6)2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O DQO: 7*32/2 = 112 g/mol

COT: 2*12 = 24 g/mol

cido actico (CH3COOH)

CH3COOH + 2O2 2CO2 + 2H2O DQO: 2*32 = 64 g/mol

COT: 2*12 = 24 g/mol


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ExperimentoC6H12O6 (jugo)

O2 (oxgeno)

bacterias

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

tiempo (d)

OD

(mg/L)

1er Orden

Medido



Balances de masa y cinticas

Balance de masa para la glucosa con cintica de 1erorden

Si la concentracin inicial de glucosa es g0, la solucinde la ecuacin es:

Ahora el balance de masa para el oxgeno

Vgkdt

dgV 1=

tkegg 10=

Vgkrdt

doV og 1=

Donde rog es la razn estequiomtrica deoxgeno consumido por glucosa utilizada(mg O/mg glucosa).


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Balances de masa y cinticas Haciendo las sustituciones del caso

Si la concentracin de oxgeno inicial es o0,

Si la botella tiene o0 mg/L de OD inicialmente, el OD se

acercar asintticamente a un nivel de:

tk

og eVgkrdt

doV 101

=

)1( 100tk

og egroo =

00 groo og



DBO

En realidad, hay ms que glucosa en un agua residual.Esto hace imposible tener la estequiometra y tasas dereaccin para cada compuesto y as calcular el oxgenonecesario para su biodegradacin medicinagregada: DBO.

Se define una nueva variable L (mg O/L): cantidad demateria orgnica oxidable que queda en la botellaexpresada como oxgeno equivalente.

Balance de masa para L en el sistema:

Si la cantidad inicial es L0,

VLkdt

dLV 1=

tkeLL 10=


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DBO El oxgeno consumido en el proceso puede definirsecomo:

Por lo tanto,

LLy = 0)1( 10

tkeLy =

Tiempo

L0

Lt

Lt

yt

tTiempo

y

yt

Lt

yt

t

donde y= DBO (mgO/L)

)e(1DBODBOtk

U1=

DBO

UDBO



DBO5 Los valores de k1 estn entre 0,05 a 0,5 1/d (media

0,15).

Normalmente se mide la DBO de 5 das

Se puede estimar la DBO ltima (L0) a partir de estevalor:

Valores tpicos de DBO5 en aguas servidas: 250 350mg/L.

)1()5(

50

1ke

yL

=


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Test de DBO

2NH4+ + 3O2 2NO2

-

+ 4H++ 2H2O

2NO2- + O2 2NO3

-

Nitrosomonas:

Nitrobacter:

Demanda deoxgeno paranitrificacin:



Caractersticas de Aguas ServidasDomsticas

0Nitrato (NO3-, como N)

40Nitrgeno Kjeldahl (orgnico+NH3, como N)

10Fsforo total (con detergentes)

4.0Fsforo de residuos humanos

135COT

320DQO450Slidos Disueltos

225Slidos Suspendidos

190DBO5

Conc. (mg/L)Parmetro


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Cintica Microbiana

Tasa de crecimiento bacteriano:

SK

S

dt

dX

X

1 a

a

sin +=

= Jacques Monod, 1940

sin = tasa de crecimiento especficodebida a sntesis (T-1)

Xa = concentracin de biomasa activa(MxL

-3)t = tiempo (T)S = concentracin del sustrato limitante

(MsL-3)

= mxima tasa de crecimientoespecfico (T-1)

K = concentracin de media tasamxima de crecimiento (MsL

-3)

0 K 2K 3K 4K 5K 6K

0

2

-b

S

sin

dec



Decaimiento bacteriano:

Tasa neta de crecimiento especfico:

Tasa de crecimiento de biomasa inerte:

bdt

dX

X

1

odecaimient

a

a

dec =

=

dec = tasa de crecimiento especfico debida a decaimiento (T-1)b = coeficiente de decaimiento endgeno (T-1)

bSK

S

dt

dX

X

1 decsin

a

a

+

=+=

=

( )bf1dt

dX

X

1

dt

dX

X

1d

inert

a

a

i

a

=

=

Xi = concentracin de biomasa inerte (MxL-3)

fd = fraccin de biomasa activa que es biodegradable


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Tasa de utilizacin de sustrato:

Tasa neta de crecimiento de biomasa:La utilizacin del sustrato y el crecimiento de la biomasa estn relacionadospor , entonces

por ello

aut XSK

Sqr

+=

= tasa especfica mxima de utilizacin de sustrato (MsMx-1T-1)

rut = tasa de utilizacin de sustrato (MsL-3T-1)

q

Yq=

aanet bXXSK

SqYr

+=

rnet = tasa neta de crecimiento de biomasa activa (MxL-3T-1)

b-YqbSK

SqY

X

r

a

net =+

==

q = tasa especfica de utilizacin de sustrato (MsMx-1T-1)



Valores tpicos de Y, y para bacterias importantesen biotecnologa ambiental:

q


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La temperatura afecta a . Para el rango de temperaturas hasta la

ptima del microorganismo, la tasa de utilizacin de sustrato deduplica aproximadamente por cada 10oC de aumento:

El coeficiente de decaimiento endgeno (b) depende de la especie yla temperatura. Tiende a estar correlacionado positivamente con . Hetertrofos aerbicos: b =0.1-0.3 d-1

Crecimiento lento: b= 0.05 d-1

La fraccin biodegradable de la biomasa activa es de alrededor del80% (fd = 0.8).

El parmetro K de Monod es el parmetro ms variable y menospredecible. Puede determinarse experimentalmente.

q

( )( )R

R

TT

TT1.07qq

=



Balances de Masa Bsicos

Para un quimiostato en estado estacionario:

Mezclador

Afl uent e Efluente

Q, S0

Q, S, Xa, XiV, S,Xa, Xi

( ) 0QXVXVXdt

daaa ==Biomasa activa:

Sustrato: ( ) ( ) 0S-SQVrVSdt

d 0ut =+=

Reemplazando las expresiones de y rut:

0QXVbXVXSK

SqYQXVXb

SK

SqY

aaaaa =+=

+

( ) 0S-SQVXSK

Sq- 0a =+

+


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Valores de estado estacionario para S y Xa:

La relacin V/Q no es la forma ms conveniente. Puede sersustituida por el tiempo de detencin hidrulico = = V/Q.

Una sustitucin ms general es el tiempo de retencin de slidos(SRT), que se conoce corrientemente como edad del lodo y sedefine como:

Para el quimiostato:

Reescribiendo valores de S y Xa:

+

+

=

Q

Vb

Q

VqY

QVb

K

1

1

S ( )

+

=

Q

Vb

SSYa

1

1X 0

1

activabiomasadeProduccin

sistemadelactivaBiomasa == x

QXVX

a

ax ==

( )xxx

bqY

bK

++

=1

1S ( )

x

0

ab1

1SSYX

+=



Esquema de la variacin de S y Xa en funcin de x y losvalores lmite de x, S y Xa.

1. Cuando x es muy pequeo e igual a xmin , entonces S=S0 y Xa=0; no seacumula biomasa activa.

2. Para valores muy grandes de x, S se aproxima a otro valor delimitadorclave: Smin.

( ) KbbqYSSK

0

0min

+

=x

bqY

bKS

=

min


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Balance de Masa de Biomasa Inerte y

Slidos Voltiles La respiracin endgena o decaimiento bacterianoconduce a la acumulacin de biomasa inactiva.Balance de masa en estado estacionario de biomasa inerte:

en el que:

Xi = concentracin de biomasa inerte en el quimiostato (MxL-3)

Xi0=concentracin en la entrada de biomasa inerte (MxL

-3)

Solucin:

( ) i0

iad XXQVbXf10 +=

( )bf1XX d0

i += ai X

( )[ ]xda0

iaiv bf11XXXXX ++=+=

Concentracin de

slidos voltiles ensuspensin o SSV:



Productos Microbianos Solubles

Aparte de consumir sustratos y producir biomasa nueva,las bacterias tambin generan productos microbianossolubles (SMP).

Siempre estn presentes y forman mayora de DQO yDBO del efluente en muchos casos. Existen 2 categoras: UAP: productos asociados a la utilizacin del sustrato.

BAP: productos asociados a la biomasa.

ut1UAP rkr =rUAP= tasa de formacin de UAP (MpL

-3T-1)k1 = coeficiente de formacin de UAP (MpMs

-1)

a2BAP Xkr =rBAP= tasa de formacin de BAP (MpL

-3T-1)k2 = coeficiente de formacin de BAP (MpMx

-1T-1)


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Cintica de degradacin de SMP:

Los balances de masa en estado estacionario de UAP yBAP son:

Soluciones:

a

UAP

UAP-deg X

UAPK

UAPqr UAP

+=

k1 = 0,12 g DQOp/g DQOsk2 = 0,09 g DQOp/g VSSa-d

= 1,8 g DQOp/g VSSa-dKUAP= 100 mgDQOp/l

/KUAP = 18 l/g VSSa-d

UAPq

UAPq

=0,1 g DQOp/g VSSa-dKBAP =85 mg DQOp/l

/KBAP = 1,2 l/g VSSa-dBAP

q

BAPq

a

BAP

BAP-deg X

BAPK

BAPqr BAP

+=

UAPQVXUAPK

UAPqVrk0 a

UAP

ut1UAP

+= BAPQVX

BAPK

BAPqVXk0 a

BAP

a2BAP +

=

( ) ( )2

rk4KrkKXq

2

rkKXq

UAP

ut1UAP

2

ut1UAPaut1UAPa UAPUAP++

+

++

=

( )( ) ( )( )2

Xk4KXkqK

2

XkqKBAP

a2BAP

2

a2BAPBAPa2BAPBAP ++

++

=( )

a

0

ut XSK

Sq

SSr

+=

=



Ejemplo: Anlisis del funcionamiento deun quimiostato.

Un quimiostato que tiene un volumen V = 2,000 m3 recibe un flujo constante deQ = 1.000 m3/d de agua residual que slo contiene material orgnicabiodegradable con una DBOu de S

0=500 mg/l. Adems hay VSS inerte con Xi0

= 50 mgVSS/l. De anteriores investigaciones conocemos que el donante deelectrones es limitador adems de los siguientes parmetros estequiomtricos

y cinticos para degradacin aerobia:



UAPq


BAPq

= 20 g DBOu/g VSSa-dY = 0,42 g VSSa/g DBOuK = 20 mg DBOu/lb = 0,15/dfd = 0,8

q


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El objetivo es analizar el funcionamiento del quimiostato con respecto a lacalidad de su efluente. Primero se calcula los valores limitadores S

min

,[xmin]lim, y xmin:

La concentracin de sustrato podra llevarse muy por debajo de S0, entanto que el SRT sea significativamente mayor que 0,126 d. El factor deseguridad SF es:

( )( )

( )26/d1,0

0,15/d/lDBOmg200,15/d20/d0,42l

DBOmg500

/lDBOmg50020

KbbqYS

SK

uu

u

0

0min =

+=

+

=x

/lDBOmg0,36

0,15/ddSSVg

DBOg20

DBOg

SSVg0,42

0,15/d

l

DBOmg20

u

a

u

u

a

umin =

=

=bqY

bKS

[ ] d12,00,15/d

dSSVg

DBOg20

DBOg

SSVg0,42

1

bqY

1

a

u

u

alim

min =

=

=x

0,2d/dm1.000

m2.000

Q

V

3

3

x ==== 16d0,126d2

SF minxx ===



Concentracin de sustrato en el efluente:

Concentraciones en el efluente (y en el reactor) de slidos activos, inertes yel total de voltiles:

Notar que el quimiostato junto con eliminar casi todo los 500 mg DBOu/l desustrato, produce 171 mg SSV/l de biomasa y por l pasan los 50 mg SSV/lde slidos voltiles inertes.

( ) ( )/lDBOmg1,7

2d0,15/d12d8.4/d

2d0,15/d1

l

DBOumg20

1

1S u=+

+=

++

=xx

x

bqY

bK

( ) ( ) /lSSVmg1611.3

1

l

DBOmg1,7500

DBOg

SSVg0,42

b1

1SSYX a

u

u

a

x

0

a =

=

+

=

( ) ( ) 2d0,15/dSSVg

SSVg0,81

l

SSVmg161/lSSVmg50bf1XX

a

iaid

0

i

+=+= ai X

/lSSVmg60/lSSVmg59,79,750 ii =+=

l

SSVmg22160161XXv =+=+= ai X


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Evaluacin de los SMP en el efluente. Los trminos individuales requeridosen las ecuaciones se calculan primero:

( )/lDQOmg9,5

2

23.900620

2

620UAP

p

2

=+

+=

/lDQOmg22,32

9,85088,2

2

88,2BAP p

2

=+

+=

( ) ( ) d/lDBOmg2492d

/lDBOmg1,7500

SSr uu

0

ut ===

( ) ( )( ) /lDQOmg620/lDQOmg22490,1210021611,8rkKXq pput1UAPaUAP =++=++

( ) ( )2put1UAP /DQOmg23.9002249-0,12100-4rk4K- l==( )( ) ( ) /lDQOmg88,221610,090,185XkqK pa2BAPBAP =+=+

( )2pa2BAP /lDQOmg9.85021610,09854Xk4K ==

/lDQOmg31,822,39,5BAPUAPSMP p=+=+=



Calidad del efluente. La DQO soluble es:

DQO soluble = S + SMP = 1,7 + 31,8 = 33,5 mg DQO/l

La DBOu soluble ser igual a la DQO soluble si todo el SMP es biodegradable. Seasumir que es as:

DBOu soluble=33,5 mg DBOu/l

La DQO total del efluente es la suma de la DQO soluble y la DQO de todos los

slidos voltiles:

DQO total = DQO soluble+(1,42 g DQO/g SSV)Xv=33,5+1,42221=347 mg DQO/l

La DBOu total es la suma de la DBOu soluble y la demanda de oxgeno de la fraccinbiodegradable de la biomasa activa:

DBOu total =DBOu soluble + (1,42 g DBOu/g SSV)Xafd= 33,5 + 1,42 161 0,8 = 216 mg DBOu/l

DBOu solubledominada por SMP!

DBOu total dominadapor SSV!


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Ejemplo: diseo de un quimiostato El diseo requiere que se cumplan ciertos criterios sobre el efluente. Este

ejemplo propone varios tipos de criterios de diseo y muestra que laeleccin del mejor x depende de los criterios que se han empleado. Elflujo del afluente y su calidad son los mismos que los del ejemplo anterior,pero para controlar x, V puede alterarse.



DBO5 en efluente: los resultados anteriores usan el criterio deDBOu y no de DBO5, que es el que ms frecuentemente se usa ennormas.

Las relaciones DBO5:DBOu son diferentes para el sustrato original,los SMP y la biomasa activa:

)e(1DBODBOk5

U5

=

0,140,03/dSMP

0,400,1/dBiomasaactiva

0,680,23/dSustratooriginal

DBO5:DBOuk

No cumple con DS90, serequiere remover slidos.


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Nutrientes y Aceptores de

Electrones Un proceso de biotecnologa medioambiental debe

suministrar suficientes nutrientes y aceptores deelectrones para mantener el crecimiento de la biomasa yla generacin de energa.

Tasa de consumo de nutrientes:La biomasa activa y la inerte contienen nutrientes en tanto estn producidasmicrobiolgicamente. La tasa de generacin de biomasa para el quimiostato es:

Por lo tanto, la tasa de consumo de nutrientes rn (MnL-3

T-1

) es:

en que n = relacin de la masa de nutriente a la de SSV de la biomasa (MnMx-1)

( )[ ] ( ) ( ) ( )x

xdut

x

xd

0

xdavvv

b1

bf11Yr

b1

bf11SSY

bf11XX

V

XQr

++

=++

=+

=

=

=

( )

x

xdutnvnn

b1

bf11Yrrr

++

==



Los nutrientes ms importantes son N y P. Para lafrmula emprica de bacterias C5H7O2N:

Generalmente, el requerimiento de P es el 20% del requerimiento de N, lo que hace

Balance de masa global para un nutriente:

SSVN/gg0,124SSVg113

Ng14N ==

SSVP/gg0,025P=

VrQC-QC0 nn0

n += n0

nn rCC +=Agregar nutrientes

si Cn < 0 !


24/43



Para calcular la tasa de utilizacin del aceptor de

electrones Sa/t (MaT-1

) se hace un balance de masade equivalentes de electrones expresados comoequivalentes de oxgeno. Para el quimiostato:

Entrada de equivalentes de oxgeno:

Salida de equivalente de oxgeno:

El consumo de O2 es la diferencia entre entradas y salidas:

El O2

puede ser proporcionado en el afluente o por otros medios:

QXSSVg

DQOg1.42SQD.O. 0v

0

entrada +=

( ) QXSSVg

DQOg1.42SMPQSQD.O. vsalidas ++=

( )[ ]v0v0a XX1,42SMPSSQt

S+=

[ ] aa0aa RSSQt

S+= en que Ra es la tasa de suministro de O2 (MaT-1).



Ejemplo: consumo de nutrientes yaceptores

Siguiendo con el ejemplo anterior, en que se habacalculado:S0 = 500 mg DBOu/l Xv = 221 mg SSV/l

S = 1,7 mg DBOu/l SMP = 31,8 mg DBOu/l

Xi0

= 50 mg SSVi/l rut = -249 mg DBOu/l-d

En este ejemplo, las concentraciones afluentes de N, P y O2 son 50 mg N(NH4+)/l, 10

mg P(PO43-)/l y 6 mg O2/l, respectivamente. Las tasas de consumo de N y P son:

( )

x

xdutN

b1

bf11Yr

SSVg

Ng124,0r

++

=

( )dN/lmg10,6

20,151

20,150,811

dl

DBOmg249

DBOg

SSVg0,42

SSVg

Ng0,124 u

u

=+

+

=

dP/lmg2,10,210,6Ng

Pg0,2rr NP ===


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Las concentraciones de nutriente efluentes se obtienen de los balances demasa:

Para el aceptor de electrones, oxgeno en este caso:

La concentracin de oxgeno afluente de 6 mg/l no es suficiente:

N/l-NH4mg28,82ddl

Nmg10,6N/lmg50rCC N

0

NN

+=

=+=

P/l-POmg5,82ddl

Pmg1,2P/lmg01rCC 34P

0

PP

=

=+=

( )[ ]v0v0a XX1,42SMPSSQt

S+=

( )[ ]mg

g10

m

l10DQO/lmg221501,4231,81,7500

d

m1.000 3

3

33+

=

/dOg102,24 25=

[ ] [ ]mg

g10

m

l102mg/l6mg/l

d

m1.000

d

Og102,24SSQ

t

SR

3

3

33

25

a

0

a

O

O2

2

==

/dOg102,20 25=



REACTOR CON RECICLADO DECELULAS SEDIMENTADAS

Para estado estacionario:

Balance de masa para biomasa:

Balance de masa del sustrato:

Q0

S0

Mezclador

V,

S, X

Qe, Se,Xae

Qw, Sw,Xaw

Qr, Sr,Xar

( ) ( )[ ] 0VXabVrYXQXQ0dt

dXV ut

w

a

we

a

ea =++=

( ) 0VrSQSQ-SQdt

dSV ut

wwee00 =++=

(1)

(2)


26/43



Considerando la definicin del tiempo de retencin de slidos:

Dividiendo (1) por XaV y comparando con (3):

Si rut toma la forma de la ecuacin de Monod:

Despejando S resulta:

Resolviendo (4) para Xa se tiene:

De la ecuacin de balance de masa de sustrato:

w

a

we

a

e

a

XQXQ

VX

activabiomasadeProduccin

sistemadelactivaBiomasa

+==x (3)

( )b

X

rY

a

ut

=+

VX

XQXQ

a

w

a

we

a

e ( )b

X

rY

a

ut

x

=

1

bSK

SqY

x

+

=1

( ) 1bqYb1

KSx

x

+

= (5)Mismo S que para

quimiostato!

(4)

( )x

utxa

b1rYX

+=

( )V

SQSQ-SQr-

wwee00

ut

+=

(6)



Como S = Se= Sw, dado que en el sedimentador no ocurre reaccin alguna,y Qe + Qw = Q0:

Reemplazando (7) en (6):

Para mantener el estado estacionario, una cantidad de lodos producidos(bioslidos) debe ser continuamente eliminada. En estado estacionario, latasa de produccin de biomasa activa (rabp, M/T) debe ser equivalente a latasa a la que la biomasa activa abandona el sistema en el efluente y el flujode purga de lodos:

Utilizando la expresin dex:

( )

SS

V

SSQr-

000

ut

=

= (7)

( )x

0

xa

b1

SSY

X

+

=

La concentracin de biomasa activa en el reactor depende del

cuociente x/, al cual se le llama factor de concentracinde slidos.

w

a

we

a

e

abp XQXQr +=

x

aabp

VXr =


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Resumen de FrmulasTiempo de detencin hidrulico ():

Tiempo de retencin de slidos,SRT (x):

Tiempo al que se produce lavado demicroorganismos (x

min) y su lmite:

Concentracin de sustrato en efluente o enreactor (S=Se):

Concentracin mnima de sustrato enreactor (Smin):

Concentracin de microorganismos activosen reactor (Xa):

Concentracin de microorganismos inertesen reactor (Xi):

Concentracin de slidos voltiles ensuspensin en el reactor (Xv):

Tasa de produccin de lodo biolgico activo(rabp):

Tasa de produccin total de slidosbiolgicos (rtbp):

w

a

we

a

e

a

XQXQ

VX

+=x

( ) 1bqYb1

KSx

x

+

=

0

V

Q=

( ) KbbqYSSK

0

0min

+

=x

bqY

bKS

=

min

[ ]bqY

1lim

min

=x

( )x

0

xa

b1

SSY

X

+

=

x

aabp

VXr =

x

vabp

VXr =

( )[ ]

bf1XX d0

i += ax

i X

( ) ( )[ ]

++

+=x

xd

00

ix

vb1

bf11SSYX

X

Consisten en:

Bioreactor aireado

Estanque de sedimentacin (clarificador)

Recirculacin de lodo activado (RAS)

Exceso de lodo activado (WAS)

RAS

Bioreactor Clarificador

WAS

Lodos Activados Convencionales


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Procesos de Lodos Activados Tpicos

Reactor FlujoPistn

Reactor MezclaCompleta

Reactor Batch

Recirculacin de Slidos Sedimentados

Recirculacin de biomasasedimentada al bioreactor

La biomasa sedimentada esrecirculada desde el sedimentadoral bioreactor, donde losmicroorganismos son usadosnuevamente para removercontaminantes del agua residual.

De esta forma, el tiempopromedio de permanencia de losmicroorganismos en el reactor,llamado tiempo de residencia delos slidos (SRT), es prolongado yya no es el mismo que el tiempode detencin hidrulico (HRT) delreactor.

RAS


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Purga del Exceso de Slidos

Control de la acumulacin de biomasa

La concentracin de biomasa en elbioreactor es controlada mediante lapurga del exceso de biomasa.

Esta purga del exceso de biomasacontrola el SRT.

WAS

Parmetros GenricosBacterias Hetertrofas Lodos Activados


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Como se Relacionan SRT, MLSS y WAS

El tiempo de residencia de los slidos (SRT) se calculacomo la razon de la masa de organismos mantenida en elreactor a la masa de organismos generada/purgada delreactor cada da.

La masa de organismos en el reactor se calcula de laconcentracin de slidos suspendidos (MLSS) de lasolucin.

La masa de organismos purgada del reactor se calculadel exceso de lodos (WAS) y la masa diaria de slidosen el efluente.

SRT bajos y altos

Un SRT alto se obtienereduciendo la masa de lodoactivado purgada cada da(WAS). Esto conduce a ms

MLSS.

Alternativamente, un bajo SRTpuede obtenerseincrementando WAS ypermitiendo una reduccin dela concentracin de MLSS.

SRT MLSSWAS

SRT MLSSWAS


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Efectos de SRT sobre el Rendimiento de

Lodos Activados SRT bajo

A un SRT bajo (es decir, bajo MLSS), la masa de organismosinvolucrada en el proceso de tratamiento es ms baja que aalto SRT, a veces resultando en tratamiento incompleto.

Se requiere menos aireacin con los consecuentes beneficionsfinancieros.

Se requiere un alto WAS, resultando en una masa de lodosmayor que debe ser manejada comparado con un SRT alto.

Un SRT mnimo es requerido para sostener a organismos decrecimiento lento (nitrificantes) que son capaces de oxidar

NH4+

a NO3-

.

SRT alto

Un SRT alto (es decir, bajo MLSS) tiene el beneficio dealcanzar un tratamiento ms completo.

Se requiere una mayor aireacin para la mayor

concentracin de biomasa. Se puede lograr la nitrificacinbiolgica.

Concentraciones de MLSS muy elevadas o un SRT muyalto pueden causar condiciones que seleccionanorganismos que no sedimentan bien (filamentosos) ouna biomasa que es muy espesa para lograr separacinpor gravedad en el clarificador. Ambas condicionespueden resultar en prdida de biomasa, deteriorando lacalidad del efluente.


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Valores de Carga y SRT Tpicos

Lodos Activados

CAPACIDADES Y LIMITACIONES

Capacidades:

Concentraciones de DBOefluentes en el rango de 5 a 30mg/L.

Concentraciones de slidos suspendidos (SS)efluentes en elrango de 5 a 20 mg/L.

Oxidacin simultnea de demanda de oxgeno nitrogenada(i.e., conversin de NH4

+a NO3

-).

Limitaciones:

El lmite mximo de concentracin de biomasa en elbioreactor est dado por la capacidad de separacin deslidos del clarificador.

Podra ser necesario mantener edades del lodo bajas paraprevenir concentraciones excesivas de slidos y minimizarproblemas de sedimentacin.

La nica forma en que se remueve N y P es a travs de lasntesis celular.


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Proceso de Denitrificacin El proceso de lodos activados convencional es adaptado

para incluir una zona anxica separada antes de la zonaaerbica:

El agua residual es introducida a esta zona anxicacomo fuente de C para la denitrificacin.

El nitrato producido en la zona aerbicaes reciclado ala zona anxica para la denitrificacin.

Los microorganismos en la zona anxica usan el NO3-

para respirar, convirtiendo NO3- a N2 en el proceso.

RAS

Zona anxica Zona aerbica

WAS

Retorno

Remocin Qumica del Fsforo

La precipitacin qumica puede remover simultneamentefsforo con o sin nitrificacin y denitrificacin.

Sales metlicas conteniendo Fe3+ o Al3

+, agregadas alreactor, se combinan con el P para formar compuestosinsolubles que son subsecuentemente removidos en elWAS.

RAS

Zona anxica Zona aerbica

WAS

Fe3+ o Al3

+ Retorno


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Remocin Biolgica de Nutrientes

Este proceso es capaz de remover tanto P como N.

Se agrega una zona anaerbica al proceso dedenitrificacin. Condiciones ecolgicas adecuadas en lazona anaerbica favorecen la seleccin de bacteriasespeciales que acumulan P.

WASRAS

Zona anxica Zona aerbicaRetornoZona

anaerbica

Como Funciona el Clarificador

El licor mezclado es recibido continuamente desde el bioreactor.

Los slidos se separan del agua y sedimentan, mientras que elagua fluye hacia arriba y afuera como efluente los slidos queno sedimentan suficientemente rpido son eliminados con elefluente.

RAS

EfluenteLicor mezcladodel bioreactor


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Limitaciones del SedimentadorLa sedimentacin deficiente puede producirse a causa dealtas concentraciones de slidos suspendidos en el licormezclado o largos tiempos de residencia del lodo. Estascondiciones pueden resultar en la prdida de biomasa en elefluente.


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Limitaciones del SedimentadorEl lodo con sobrecrecimento de organismos filamentososno sedimenta bien, incluso a concentraciones moderadasde slidos suspendidos y edades del lodo moderadas.

Limitaciones del Sedimentador

Si el NO3-y la DBO no son suficientemente removidos en el

bioreactor, la denitrificacin puede producirse en elclarificador, generando gas N2, el cual puede causar lodoascendente y prdida de lodo en el efluente.

N2

N2

N2

N2

N2


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Gasto de recirculacin, Qr

Balance de masa de Xa en el reactor, en estado estacionario:

Definiendo la razn de recirculacin R (=Q r/Q0);

X QiQ0

S0

Mezclador

V,

S, X

Qi

Xi

Qr, Xr

Qe

Xe

Qw,Xw

Qs, Xs

( VrXQQ-XQ0 xar0rar ++=

=

1X

X

-1

R

a

r

a

c

( )c

a

r

a

r

a

r0

x

X

V

XQ-XQQr =

+=

( ) ( )

c

a

r

aa

r

a

0

a

0

x

XRX-XR1

V

RXQ-XR1Qr =

+=

+=

Caso t pico:

= 6hc= 6dR= 0,24

5

mg/l2.000

mg/l10.000

X

X

a

r

a =



Efecto de la razn de recirculacin R sobre la concentracinmxima de slidos en suspensin en el tanque de aireacin (Xm)para varias concentraciones mximas de compactacin de lodo enel sedimentador (Xrm):


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Gasto de exceso de lodos, Qw

Usando la definicin de c

Definiendo la fraccin de exceso de lodos como =Qw/Q0, y considerandoque Qe = (Q0-Qw), se obtiene

r

a

we

a

e

ac

XQXQ

VX

+=

( ) rae

ar

a0

0e

a0

00

a0

cXX1

Xa

XQ

QX

Q

QQ

XQ

V

+

=

+

=

a

e

a

a

r

a

a

e

a

c

X

X

X

X

XX

=

Caso tpico :

5mg/l2.000

mg/l10.000

X

X

a

r

a =

= 6hc= 6d= 0,0073

005,0

mg/l2.000

mg/l10

X

X

a

e

a =



Ejemplo de Diseo de Procesode Lodos Activados

Paso 1: Definir el afluenteEl afluente es agua residual con las siguientes caractersticas:

Q=103 m3/d = 106 l/d

S0= 500 mg DBOu/l

Xa0= 0 mg VSSa/l

Xi0= 50 mg VSSi/l

Paso 2: Definir los parmetros cinticos (q, K, b) y estequiomtricos (Y, fd)

Paso 3: Identificar los cri terios de diseo

Se pretende cumplir con los estndares reglamentados de DBO5< 35 mg/l y SS < 80 mg/l(D.S.90 para descarga a lagos). Al estimar la calidad del efluente, se har la conversinde DBOu y VSS a DBO5 y SS.

= 10 mg DBOu/mg VSSa-dK = 10 mg DBOu/lY = 0,4 mg VSSa/mg DBOub = 0,1/dfd = 0,8

q


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Paso 4: Calcular valores delimitadores

Paso 5: Escoger un SRT de diseoPara un diseo econmico se escoge un valor en el lmite inferior del rango devalores tpico (20-70): FS=20.

Paso 6: Calcular concentracin de sustrato en efluente

[ ] /lDBOmg0,260,260,110bKS ulimminxmin ===

[ ] d26,00,1010,4

1bqY

1lim

min =

=

=x

[ ] 5d5,2d0,2620FSlim

min

xx ===En intervalo normal de carga

convencional de 4 a 10 d.

( ) ( )/lDBOmg0,81

50,115100,450,1110

b1qYb1KS u

xx

x =+ +=++=S muy por debajo delestndar de 35 mg/l.



Paso 7: Escoger el tiempo de detencin hidrulico del sistema (

) olos MLVSS (Xv) y calcular el otro

y x son independientes en lodos activados y estn relacionados a travs de Xvpor:

En este caso se escoge un valor Xv cerca del lmite superior del intervalo para cargaconvencional (1.000 mg/l


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Paso 13: Calcular los requerimientos de nutrientesLos nutrientes son necesarios en proporcin a la sntesis de biomasa, calculada en el

paso 10 como 1,45108 mg SSV/d.Tasas de suministro:

Dividiendo por el caudal (Q=106 l/d) se obtienen las concentraciones mnimasafluentes: 18 mg N/l y 3,6 mg P/l. En el caso de descargas a lagos hay quecumplir lmites de N (Ntotal < 10 mg/l) y P (P < 2 mg/l) del D.S. 90.

Paso 14: Concentraciones en el efluente de SMP

Puesto que UAP y BAP son compuestos soluble que se comportan como S, lassoluciones del quimiostato son vlidas en este caso:

( ) N/dmg101,8tX0.124tN 7biolv == ( ) P/dmg103,6tX0.025tP 6

biolv ==

( ) ( )2

rk4KrkKXq

2

rkKXqUAP

ut1UAP

2

ut1UAPaut1UAPa UAPUAP++

+++

=

( )( ) ( )( )2

Xk4KXkqK2

XkqKBAPa2BAP

2

a2BAPBAPa2BAPBAP ++++=

( )a

0

ut XSK

Sq

SSr

+=

=



Se utilizan los siguientes valores de parmetros para la produccin y consumo deSMP:

En este ejemplo rut=(500-0,81)/0,39=1.280 mg DBOu/l-d.



UAPq


BAPq

( )( )

( )( )

++

++=

39,0710.109,085439,01.71009,01,058

39,01.71009,01,0585,0BAP

2

( )( )

+++=

39,0280.112,0100439,0280.112,000139,0710.11,839,0280.112,000139,0710.11,85,0UAP

2

DQO/lmg4,8UAP =

DQO/lmg39BAP =

DQO/lmg43,8394,8BAPUAPSMP =+=+=


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Paso 15: Calcu lar la calidad del efluente como DQO, DBOu y DBO5Todas las formas de materia orgnica en el efluente son medidas por el test de

DQO: Sustrato original, S 0,8 mg/lSSV, Xv

e1,42 mg DQO/mg SSV 21,3SMP 43,8Suma 65,9 mg DQO/l

La DBOu incluye al sustrato, la parte de SSVa biodegradable y los SMP, que seasume son biodegradables:

Sustrato original, S 0,8 mg/lSSVa, Xa

efd1,42 11,4SMP 43,8Suma 56 mg DBOu/l

El estndar efluente se da como DBO5, por lo que se aplican las conversiones entreDBOu y DBO5 para cada clase de compuesto orgnico:

Sustrato original, S0,68 0,5 mg/l

SSVa, Xae

fd1,420,4 4,55SMP, SMP0,14 6,1Suma 11,1 mg DBO5/l

Se satisface el estndarefluente de 35 mg/l de

DBO5



Paso 16: Calcular la tasa de recirculacin del lodoLa tasa de recirculacin de lodo R (=Qr/Q0) se obtiene de:

Paso 17: Calcular la tasa de suministro de oxgenoSe calcula mediante un balance de masa de equivalentes electrn, expresado comodemanda de oxgeno. El sustrato y los SSV inertes aportan demanda de oxgeno en

el afluente:Sustrato original, QS0 106500 5108 mg/dSSV, 1,42QXi

0 1,4210650 7,1107 mg/dSuma 5,7108 mg/d

La demanda de oxgeno que abandona el sistema est contenida en S, SMP y VSS:Sustrato original, QS 1060,81 8,1105 mg/dSMP, QSMP 10643,8 4,38107mg/dSSV, 1,42Xv/t 1,421,9510

8 2,77108 mg/dSuma 3,2108 mg/d

La tasa de suministro de oxgeno es la diferencia: O2/t=2,5108 mg/d

31,014

078,01

1500.2

000.105

39,01

1X

X

-1

Rr

c =

=

=

= Se utilizaron los valores de SSVpara X y Xr. Tambin pueden

usarse los valores de SSVa o SS.


43/43



Paso 18: Evaluar la potenc ia requerida para aireacin:Asumiendo un FOTE tpico de 1 kg O2 por kWh para determinar la capacidad de

suministro de oxgeno:( )( )( )( ) kW10,4h/d24/kWhO1kg/kg/mg10/dOmg102,5Potencia 2628 ==

C4 Ingenieria Sanitaria-Procesos Biologicos de Tratamiento

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