Diseño y construcción de un biorreactor de biodiscos

para tratamiento de aguas residuales

Monica Landavazo, Ana Luisa Lopez, Matilde Perez

Dep. Ing. Biotecnología, Universidad Politécnica de Q. Roo. Cancún Q. Roo, México.

ABSTRACT

Un biorreactor de biodiscos es utilizado para

procesos de aguas residuales, trabaja en un sistema

aerobio y continuo de preferencia aunque puede

trabajar en lote y ser anaerobios.

El biorreactor consta de un reactor que trabaja de

manera mecánica aunque si se requiere

dependiendo el empleo en específico de su uso,

podemos emplear el método mecánico-neumático,

esto se refiere a que puede trabajar con una fuerza

externa mecánica como lo es un motor y trabajar al

mismo tiempo con una bomba de aire, esto es para la

óptima aeración del método a tratar.

Los biodiscos estos son discos que deben estar

compuestos por dos bases rígidas para que den

soporte, este a su vez debe estar forrados por una

membrana que servirá como filtro a lo que está

contenido dentro del disco. Los biodiscos de

preferencia se deberán acondicionar con un material

poroso (roca volcánica, tepalcate, étc.) para su

función primordial que será la de obtener la mayor

cantidad de biomasa y microorganismos.

El diseño de biorreactores no es fácil ya que es a

mediante la cantidad y lo que se quiere producir

Nomenclatura

Ug [=] m/s Velocidad Superficial

Ast [=] m2 Área de Sección Transversal

Tm [=] s Tiempo de Mezclado

ε [=] Adimensional Gas Hold Up

hl [=] cm Altura del Líquido en Reposo

hl+g [=] cm Altura del Líquido más el Gas

ABSTRACT

A biodiscs biorreactor is using for Water Treatment

Residuals (WTR) process, with preference this

works in aerobic and continuous systems but

actually could work in batch and anaerobic systems.

The bioreactor consist a reactor who which works in

mechanic way if is necessary, that is all depends

about how we want to use it because we can use it in

mechanical-pneumatic way; so we use a motor with

an air pump in the same time and this get a better

aeration for the water in treatment.

The biodiscs are discs which should be made with

two rigid bases and are covered by a membrane

what works as a filter. Which preference the biodiscs

must be having inside a porous material (volcanic

stone, tepalcate, etc.) because this material gives the

primary function and that is to get inside of the

porous a microorganisms and biomass.

The bioreactor design is not easy because depends

of the quantity and what we want generate.

Nomenclature

Ug [=] m/s Superficial Gas Velocity

Ast [=] m2 Transversal Section Area

Tm [=] s Mixed-up Time

ε [=] Adimensional Hold Up Gas

hl [=] cm Resting Fluid Height

hl+g [=] cm Liquid Height plus the Gas

INTRODUCCIÓN

Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas

residuales son muy antiguas y se vienen usando

desde hace aproximadamente cien años. De todos

los procesos que se han desarrollado para el

tratamiento de las aguas residuales el sistema

convencional de fangos activados ha sido el más

extendido. La tecnología de membrana, en un

principio, tenía limitado su uso y solamente se

empleaba como tratamiento de afino o terciario en el

proceso convencional. La microfiltración,

ultrafiltración y la ósmosis inversa se utilizaron en

áreas donde había requerimientos de vertido muy

rigurosos o donde se pretendía reutilizar el agua

depurada. Los factores principales que limitaron el

desarrollo de la tecnología de membrana fueron el

elevado coste de inversión y de operación y un

inadecuado conocimiento de las ventajas

potenciales de las membranas en el tratamiento de

las aguas residuales. Sin embargo, con la aparición

de módulos de membrana menos costosos y más

efectivos junto con el endurecimiento de los

requisitos de vertido la tecnología de membrana

volvió a cobrar interés. De forma genérica, los

biorreactores de membrana pueden ser definidos

como sistemas en los que se integra la degradación

biológica de los efluentes con la filtración de

membrana (Cicek et al. 1998b). No sólo se han

desarrollado numerosos estudios en plantas piloto

sino que en varias partes del mundo hay plantas a

escala real que utilizan tecnología MBR

Existen varias áreas de aplicación muy

prometedoras que están todavía en fase de

desarrollo y que requieren una mayor evaluación

experimental. Entre ellas se encuentra el

tratamiento de efluentes procedentes de actividades

ganaderas, aguas residuales de industrias

alimentarias, la eliminación de herbicidas y

pesticidas de las corrientes de aguas residuales y la

eliminación biológica de los nitratos.

BIODISCOS

El biodisco tiene un dispositivo para el tratamiento

de aguas residuales compuesto de discos grandes de

plástico colocados a corta distancia que rotan en

torno a un eje horizontal. Los discos se mueven

alternadamente en el agua residual y en el aire y

desarrollan un crecimiento biológico en sus

superficies.

- Un contactor biológico rotativo consiste en una

serie de discos circulares de poliestireno, o cloruro

de polivinilo, situados sobre un eje, a corta distancia

unos de otros.

- Los discos están parcialmente sumergidos en

el agua residual y giran lentamente en el seno de la

misma.

- En el funcionamiento de un sistema de este tipo, los

crecimientos biológicos se adhieren a las superficies

de los discos, hasta formar una película biológica

sobre la superficie mojada de los mismos.

- La rotación de los discos pone la biomasa en

contacto, de forma alternativa, con la materia

orgánica presente en el agua residual y con la

atmósfera, para la adsorción de oxígeno.

- La rotación del disco induce la transferencia

de oxígeno y mantiene la biomasa en condiciones

aerobias.

- La rotación también es el mecanismo de

eliminación del exceso de sólidos en los discos por

medio de los esfuerzos cortantes que origina y sirve

para mantener en suspensión los sólidos

arrastrados, de modo que puedan ser transportados

desde el reactor hasta el clarificador.

- Los biodiscos se pueden utilizar como tratamiento

secundario, y, también, se pueden emplear para la

nitrificación y desnitrificación estacionales o

permanentes.

- Se suelen proyectar basándose en factores de carga

desarrollados en estudios en planta piloto, y a partir

de datos deducidos de instalaciones a escala

industrial, aunque se puede aplicar el análisis

anteriormente presentado para el caso

de filtros percoladores.

- Tanto los criterios de carga hidráulica como

orgánica son aplicables al dimensionamiento de las

unidades para el tratamiento secundario.

- Las cargas para tiempo caluroso y para nitrificación

continua son considerablemente inferiores a las

correspondientes al tratamiento secundario.

- Correctamente dimensionados constituyen

sistemas muy fiables debido a la gran cantidad de

biomasa presente (relación de funcionamiento A/M

baja).

- Este hecho también les permite resistir mejor las

sobrecargas hidráulicas y orgánicas.

- La disposición por etapas en serie de este sistema

de flujo en pistón elimina los cortocircuitos y

amortigua las sobrecargas

OBJETIVO Diseñar un biorreactor de biodiscos apto para el tratamiento de aguas residuales tanto en sistema continúo como en lote, obtener que los biodiscos tenga un rango de 20 a 50 rpm y adaptarlos a las medidas para tratar 13 litros de agua residual. Construir un biorreactor apto y óptimo para su utilización en práctica para futuros experimentos y en aguas residuales obtenidas en la facultad. MATERIALES Y MÉTODOS Los métodos para el tratamiento de agua residual

suelen ser osmosis inversa, ultrafiltración,

microfiltración, tamizado, desarenado, oxidación de

sulfuros, homogeneización, etc., en su mayoría son

en sistemas biológicos por lo cual en este caso fue el

que se utilizó.

Los biodiscos es una manera de cómo usar agentes

biológicos como los microorganismos de la misma

agua residual a tratar para que esta agua en paso

continuo se vaya limpiando.

10cm

10cm

Piedra Pómez

Malla de plástico

Discos de plástico

Los Biodiscos

No existe una técnica en específica que diga cómo

construir los biodiscos, aunque en general los que

están hechos profesionalmente utilizan materiales

muy resistentes y aptos para estos y que claro no

contaminen o con un lapso del tiempo corto se

deshagan.

Para el diseño del biorreactor se utilizaron cálculos

matemáticos para obtener medidas precisas para la

cantidad que se quiere a tratar. Pero antes de

comenzar con los datos matemáticos estos fueron

los materiales para la construcción de este

biorreactor:

Pecera de 40.3cmx20cmx20cm

Bomba de agua

Bomba de aire

Dispersor

Impulsor

Base de madera

Instalación eléctrica (cable, apagador,

contacto, enchufe, etc.)

Instalación hidráulica (tubos PVC, llaves de

flujo, etc.)

Piedras pómez

Baleros

Varilla metálica

Malla de plástico (membrana)

Discos de plástico (10cm de diámetro)

Desagüe

Pintura en aerosol (Negra)

Mangueras

Tornillos de seguridad

Con los materiales anteriormente comentados y con

los cálculos matemáticos se tendrá la finalidad de

construir el biorreactor tanto en lote como para

continúo.

MEDIDAS Y CONSTRUCCIÓN

Para las medidas de la pecera en base a cálculos y

comprobándolo experimentalmente con 13 litros la

altura del agua será de 15cm, pero se considera una

altura de 20cm para la colocación de los biodiscos:

Los biodiscos están compuestos por la membrana

(malla de plástico agujerado), los discos de plástico

transparentes rellenos de piedra pómez, esta piedra

fue la más apta y accesible para trabajar con este

tipo de biorreactor. Los discos de plásticos fueron

perforados y costurados con hilo de plástico con la

membrana de plástico (ya que este no se corroe) y

fueron llenadas con las piedras.

Nota: los discos no tuvieron el mismo peso. Se

hicieron 4 discos para este biorreactor.

Los discos fueron del tamaño siguiente:

Listo los biodiscos proseguimos con la unión de la

partes del biorreactor, en el cual utilizamos una base

de madera para sostener el reactor la cual fue

manipulada para introducirle la instalación eléctrica,

ya hecho esto se fijó el reactor con pijas.

Al reactor para hacerle la instalación hidráulica se

necesitó perforar el lado izquierdo un circulo con un

diámetro de 1 pulgada para introducir el tubo de

salida, se le instalo al igual una tubo con un conducto

de entrada desde la madera para la alimentación,

este procedimiento que se hizo es para que el

biorreactor sea de flujo continuo.

V= 13L 15cm

40.3cm

20cm

20

c

m

Ats= 0.0806m2

Terminado esto se prosiguió en introducir y fijar los

biodiscos y una propela a la varilla de metal por el

cual se utilizan 2 baleros que serán sostenidos por

alambres para que la varilla quede bien puesta y gire

cuando sea impulsado por la bomba de agua y esta

haga girar a la propela.

Al final al biorreactor se instalará una bomba de

agua a su vez la manguera de esta estará fija en la

parte superior golpeando a la propela para que esta

gire y tenga su función primordial de proveer entre

20 a 50 rpm.

La bomba que se utiliza es de 1500 L/min y con esta

potencia se logró que los biodiscos giren teniendo

una medición constante de 40 rpm, tomando en

cuenta esto se hicieron las pruebas mecánicas y para

las pruebas neumáticas se utilizó una bomba de aire,

un dispersor y un rotámetro de los que se obtuvo los

siguientes resultados:

HIDRODINAMICA NEUMÁTICA

Grafica de la Tabla 1. Ug & ε

AST=0.0806 m2

Se Utilizó la fórmula para obtener el gas Hold Up (ε):

Grafica de la Tabla 2. Tm & Ug

HIDRODINAMICA MECÁNICA

Se realizaron mediciones de Tiempo de mezclado sin

flujo de aire con una bomba de agua de 1500 L/h, a

una revolución fija de 40 rpm calculada pr el número

de vueltas de los biodiscos por minuto, dando un

valor mínimo de tiempo de mezclado de 10

segundos.

El Flujo de agua al cual se llevó a cabo el

experimento fue de:

a 40 rpm

*La Ug a un flujo fijo de

a 40 rpm es de:

RESULTADOS

Se logró diseñar el Biorreactor de biodiscos

utilizando una bomba de agua de flujo de 1500 L/h,

con una velocidad de 40 rpm para un volumen de

13L de agua El Tiempo de mezclado mínimo fue de

10 segundos para una hidrodinámica mecánica cuya

Ug es de 0.31 m/s a una altura de 15 cm y a esa

misma altura se determinó la hidrodinámica

neumática de la Ug & ε y de la Ug & Tm.

CONCLUSIONES

El Biorreactor de discos diseñado para el

tratamiento de aguas residuales utilizando piedra

pómez, debido a su porosidad ayudará a la absorción

de los elementos presentes en las aguas residuales

para la limpieza de la misma. La presencia de flujo

de aire ayudará a la transferencia de biomasa. Se

requiere de modificaciones en el biorreactor con

ayuda posterior de experimentos que se lleven a

cabo en la Universidad Politécnica de Quintana Roo,

para un mejor rendimiento y cuidado del medio

ambiente.

BIBLIOGRAFIA:

-BRUCE. E, Ritmann, PERRY L. MC Carty.

Biotecnología del medio ambiente, principios y

aplicaciones. Editorial Mc Graw Hill. Sprint, 2001.

-MARIN A. GORGE E. Diseño y Construcción de un

Reactor de biodiscos. Universidad Nacional de

Colombia. 1995.

-http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_32.pdf

http://www.fcca.es/static_media/file_uploads/Intro

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