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DIVISIÓN DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

INGENIERIA QUÍMICA

ESTUDIO DE UN REACTOR DE LECHOSUSPENDIDO INVERSO

PRESENTA: SPICA YOLANDA ANGELES ALVARADO

ASESOR: URIEL ARECHIGA VIRAMONTES

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INDICE

OBJETIVO...................................................................................................................3

JUSTIFICACIÓN .........................................................................................................3

FUNDAMENTOS TÉCNICOS ....................................................................................3

1.FUNDAMENTOS .....................................................................................................4

1.2 LEGISLACIÓN NACIONAL .................................................................................5

1.3 CONSTITUYENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES......................................... 6

1.4 METODOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS............................ 10

Proceso de lodos activados...................................................................................... 11

Lagunas Aireadas.................................................................................................... 12

Digestión Anaerobia................................................................................................ 13

Digestión Aerobia ................................................................................................... 16

2.2.REQUERIMIENTOS PARA LA SÍNTESIS CELULAR Y EL CRECIMIENTO DEMICROORGANISMOS ............................................................................................. 19

2.3 TRENES DE TRATAMIENTO CONOCIDOS..................................................... 20

2.4 REACTOR ANAERÓBIO DE LECHO FLUIDIZADO (inverso) ........................ 23

2.4.1 EL DESARROLLO DEL PROCESO............................................................. 23

2.4.2 DESCRIPCIÓN DEL REACTOR Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN............ 24

3. HIDRODINAMICA................................................................................................ 26

APÉNDICE 1 ............................................................................................................. 31

APÉNDICE 2 ............................................................................................................. 36

APÉNDICE 3 ............................................................................................................. 40

GL0SARIO................................................................................................................. 42

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 48

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OBJETIVO

Diseñar y construir una planta para el tratamiento de aguas residuales en área deCibac en la propiedad de la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Para locual, se estudia a pequeña escala (es decir a nivel laboratorio), el comportamiento deun reactor anaerobio de lecho fluidizado inverso. A fin de aprovechar al máximo elrecurso con que se dispone y ser una de las instituciones de educación Superior en elDF en participar a la vanguardia tecnológica en apoyo a los programas deconservación y rehúso de aguas servidas.

JUSTIFICACIÓN

El consumo de agua es de considerable magnitud, por lo tanto, el desalojo de esasaguas a la red municipal es suficiente para considerar la instalación de una Planta deTratamiento de Aguas Residuales, aprovechando después esas aguas para el riego detodos los campos y jardines que actualmente se riegan con agua potable, lo cualrepresenta un alto costo, actualmente se cuenta con áreas verdes dispersas, que nohan podido ser ampliadas debido a la escasez de agua, asimismo los camposdeportivos no cuenta con el pasto, por este mismo motivo.

FUNDAMENTOS TÉCNICOS

El diseño de este tipo de instalaciones es muy variado, depende del volumenliquido, del tipo de desechos a tratar, etc. La ley de aguas nacionales y las normasoficiales mexicanas, determinan calidad y el posible tratamiento a las aguasresiduales, así como los usos que posteriormente se le pueden dar a estas aguas.La planta mecánica que para este caso se ha planteado debe reunir tres requisitos:mínimo de equipo, fácil proceso de construcción y operación mínima confiable.El tratamiento en plantas mecánicas consiste en acelerar con el uso de un equipo. Elproceso natural de degradación de la materia orgánica pasando de 20 días a menosde 24 horas.

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1.FUNDAMENTOS

INTRODUCCIONMéxico cuenta con 97.4 millones de habitantes, y tiene una extensión territorial de1.967.183 km2, cuenta con una precipitación media de 1519 km3/año, lo que equivale auna disponibilidad per cápita promedio de 4750 m3/año. Sin embargo la problemáticade abastecimiento de agua se incrementa cada vez en mayor proporción.Específicamente, y con base en datos reportados por la Comisión Nacional del Agua,el sector agrícola es el mayor consumidor de agua en el país, debido a que el 83% delagua disponible es utilizada por el mismo.

Para disminuir la problemática de abastecimiento de agua, es necesario incrementarel reuso del agua residual tratada en aplicaciones que no ameriten el grado depotabilidad, tal es el caso del riego de áreas verdes y plantaciones.La importancia biológica del agua se encuentra ligada a la estructura y el metabolismode los seres vivientes. La importancia industrial del agua es, también considerable.La zona metropolitana del valle de México enfrenta actualmente problemas de calidaddel agua potable, limitaciones en su abastecimiento, pérdidas debidas a fugas en elsistema de distribución del agua, esta última se considera cercana a un 15 y enalgunas zonas hasta un 40%, así como un elevado consumo de la misma ocasionadopor los altos subsidios otorgados al abastecimiento del agua. Con el objeto de atenuaresta problemática el gobierno de la ciudad de México planeó una serie de actividades,entre las cuales se incluyó el reuso del agua y la reestructuración de los diversossistemas de suministro de desagüe de las aguas residuales. Estas actividades en laZMVM comenzaron de manera oficial en 1984.

Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o de procesosindustriales, los cuales por razones de salud publica y por consideraciones derecreación económica y estética, no pueden desecharse vertiéndolas sin tratamientoen lagos o corrientes convencionales. Los materiales inorgánicos como la arcilla,sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos;sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, eltratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan yconvierten la materia orgánica en CO2, es por ello que los tratamientos de las aguasde desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales.El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación demicroorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos oa otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento biológico de lasaguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este esta ligadoíntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios yanaerobios.El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reaccionescomplejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de diferentesespecies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales orgánicos enCO2 y gas metano, este último se puede separar y quemar como una fuente deenergía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el efluente líquido hadisminuido notablemente su contenido en sustancias orgánicas. La eficiencia de unproceso de tratamiento se expresa en términos de porcentaje de disminución de laDBO inicial.

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1.2 LEGISLACIÓN NACIONAL

La Norma Oficial Mexicana NOM-003-ECOL-1997, establece los limites máximospermisibles de contaminantes para el agua residual tratada que sea reutilizada paraservicios públicos. Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 21 de Septiembrede 1998. y a su vez, en el contexto Nacional de las Normas Técnicas Ecológicas NTE-CCA-032/91 Y NTE-CCA-033/91 las cuales sancionan la disposición final medianteriego agrícola.

Norma Oficial Mexicana NOM-052-ECOL-1993, Que establece las características delos residuos peligrosos, el listado de los mismos y los límites que hacen a un residuopeligroso por su toxicidad al ambiente, publicada en el Diario Oficial de la Federaciónel 22 de octubre de 1993; norma que contiene la nomenclatura en términos delAcuerdo Secretarial publicado en el referido órgano informativo el 29 de noviembre de1994.

Las aguas residuales tratadas tienen que cumplir normas específicas de calidad antesde que puedan volver a usar o con normas estrictamente definidas antes de que sepuedan descargar a una corriente de agua.

En el caso de descargas residuales a cuerpos receptores, en México existen normascomo la NOM-001- ECOL-1996, que si bien regulan la calidad de diferentes tipos deefluentes, no todos los parámetros de importancia se encuentran normados. Por otraparte, el caso del reuso de las aguas residuales tratadas, las características de estaagua son variables, ya que depende del reuso que se les vaya a dar. En México, aunque existe un anteproyecto de norma para regular la calidad del agua(NOM-006-CNA-1996); sector agua-Requisitos sobre el diseño, construcción yoperación de la obra de recarga artificial de acuíferos , en el cual se establece que lacalidad del agua de reinyección no ha sido aprobada oficialmente.En este trabajo, debido a que los procesos implicados en los trenes de tratamiento,que se mencionarán, son idealmente considerados desde un inicio, se considera deantemano que es poco factible que, incluso el mejor pretratamiento, cumpliese con loslímites establecidos por la NOM-127 SSA1, por lo tanto en este estudio no secompromete el objetivo de llegar a obtener agua residual tratada para uso agrícola.

TABLA 1.1 LÍMITES MAXIMOS PERMISIBLES DE CONTAMINANTESPROMEDIO MENSUAL

TIPO DE REUSO ColiformesfecalesNMP/100 ml

Huevos dehelminto(h/l)

Grasas yaceitesmg/l

DBO5mg/l

SST mg/l

servicios al público concontacto directo

240 1 15 20 20

servicios al público concontacto indirecto u ocasional

1,000 5 15 30 30

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1.3 CONSTITUYENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES

Para caracterizar un caudal es necesario realizar pruebas extensas. El muestreo de uncaudal que será estratificado o caracterizado requiere que las muestras sean tomadasa través de la profundidad en proporción al perfil de la velocidad y al área si es que sequiere una muestra representativa.Al analizar un caudal variable en el tiempo es necesario que se tome un númerogrande de muestras para definir el rango de concentraciones que se esperan.Los estudios de caracterización de aguas residuales son raramente lo suficientementedetallados para establecer la variabilidad con mucha certeza.Las diferentes pruebas usadas en la caracterización de agua y de agua residual estándescritas con respecto a su precisión y exactitud. La precisión se refiere a lareproducibilidad de una técnica analítica, cuando es repetida sobre una muestrahomogénea bajo condiciones controladas, sin considerar si el valor medidocorresponde al valor real. La precisión es estimada por la desviación normal de losresultados de la prueba.La exactitud hace referencia a la correspondencia entre el valor medido y el valor real.El error relativo es la diferencia entre el valor real y el valor medido como unporcentaje del valor real. Un método puede ser preciso (es decir, reproducible) peroinexacto, cuando todas las medidas se agrupan muy cerca del valor incorrecto,mientras otro puede ser seguro pero impreciso, cuando todas las medidas sedispersan ampliamente alrededor del valor correcto

Los constituyentes encontrados en las aguas residuales pueden ser clasificados comofísicos, químicos, biológicos y radiológicos. Existen varios tipos de análisis empleadosusualmente para cuantificar dichos constituyentes.

Tabla 1.2 análisis comunes para estimar los constituyentes encontrados en las aguas residualesPrueba Abreviatura Uso o significado del resultado

características físicassólidos totales ST Determina la clase de proceso usólidos suspendidos totales SST operación más apropiada para su

Tratamiento.Turbiedad UNT Evalúa la calidad del agua residual tratadaColor gris, negro, etc.Estima la condición del agua residualTransmitancia %T Estima si el efluente tratado es apropiado

para desinfección con radiación UVDensidad δ Estima si el efluente es apto para uso

AgrícolaCaracterísticas químicas inorgánicas

Nitritos NO2- Usado como medida Amoniacal de nutrientes y para

Nitratos NO3 - Establecer el grado de descomposición del agua.

pH pH= log 1/[H+]Medida de la acidez o basicidad de una soluciónacuosa.

Características químicas orgánicas

Demanda química de O2 DQO Demanda de la cantidad de oxígeno requeridoDemanda bioquímica de O2 DBO Para oxidar biológicamente el oxígeno del agua.Carbono orgánico total

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Parámetros más usados:

1. Turbiedad: Es causada por partículas suspendidas que interfieren con el paso dela luz a través del agua. Estas partículas difieren de tamaño y van desde tamañocoloidal hasta granulares.La presencia de alta turbiedad hace más difícil la filtración de las aguas, disminuye lostiempos de filtración de los filtros lentos de arena y aumenta los costos de operación.Cuando se tiene una alta turbiedad se recomienda realizar coagulación química antesde que el agua sea admitida a los filtros con el fin de aumentar la eficiencia de éstos,unidades de medición UTN (unidades de turbidez Nefelomètricas).

2. Temperatura: la temperatura de las aguas residuales es mayor que las aguas nocontaminadas, debido a la energía liberada en las reacciones bioquímicas, que sepresentan en la degradación de la materia orgánica, las descargas calientes son otracausa de éste aumento de temperatura.

3. Color: el color es un indicativo de la edad de las aguas residuales, cuando estasson frescas el color es grisáceo, pero a medida que avanza la descomposición de lamateria orgánica y las condiciones se tornan anaerobias y el color de las aguascambia a negro. Se utiliza el método calorimétrico utilizando soluciones estándar,elaboradas a partir de cloroplatinato de potasio. Se considera que una unidad de color(uc) es igual al color producido por 1 mg / l de platino.

4. Olor: el olor es muy característico y ligeramente desagradable cuando estánfrescas, a medida que la descomposición avanza los sulfatos se reducen a sulfuros yse desprenden olores muy desagradables.

5. Sólidos: los sólidos que se presentan en las aguas residuales son de tipodoméstico o de tipo industria. Se considera materia sólida que toda aquella diferente alagua.Los métodos existentes para la determinación de sólidos son empíricos, fáciles dedeterminar y están diseñados para obtener información sobre los diferentes sólidospresentes.

6. Oxigeno Disuelto: determina si la descomposición de la materia orgánica se realizapor organismos aeróbicos o anaerobios.

Los organismos aerobios usan oxígeno para la descomposición de la materia orgánicae inorgánica, los organismos anaerobios realizan su oxidación a través de la reducciónde ciertas sales inorgánicas, como sulfatos, siendo los productos finales de carácterofensivo. Tanto los organismos aeróbicos como los anaerobios se encuentran en lanaturaleza.

7. Demanda Bioquímica de oxigeno: se define como la cantidad de oxigeno requeridapor las bacterias para estabilizar la materia orgánica bajo condiciones aerobias. Elensayo de DBO es ampliamente utilizado para medir el grado de contaminación de lacorriente de agua, así como para determinar la cantidad de oxigeno requerida paraoxidar y estabilizar las aguas residuales por medio de tratamiento biológico.

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Tala 1.3 parámetros comunes y su procedencia

Parámetros Procedencia

Propiedades físicas:Color Aguas residuales domésticas e industriales, desintegración natural

de materiales orgánicos.Olor Agua residual en descomposición, vertimientos industriales.Sólidos Aguas de suministro, A. R. Domesticas e industriales, erosión del

suelo, infiltración y conexiones incontroladas.Temperatura Aguas residuales domesticas e industriales

Constituyentes Químicos.Orgánicos:

Carbohidratos Aguas residuales comerciales e industriales.Grasas animales, aceite ygrasa

Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales.

Pesticidas Residuos Agrícolas.Fenoles Vertidos industriales.Proteínas Aguas residuales Domésticas y Comerciales.Agentes termo activos Aguas residuales Domésticas e industriales.Otros Desintegración natural de Materiales Orgánicos. Inorgánicos:Alcalinidad A.R. Domesticas, agua de suministro, infiltración de aguas

subterráneas.Cloruros Agua de suministro, A.R. Domésticas, infiltración de aguas

subterráneas.Metales pesados Vertimientos industriales, A.R. Domésticas y residuos agrícolas.Nitrógeno A.R. Domésticas, y Residuos AgrícolasPH Vertimientos industriales.Fósforo A.R. Domésticas, Industriales,Azufre Aguas de suministro, Aguas residuales, domesticas e industriales..Compuestos Tóxicos. Vertidos industriales.

Gases:Sulfuro de Hidrogeno Descomposición de A.R. DomésticasMetano Descomposición de A.R. Domésticas.Oxigeno Agua de suministro, infiltración del agua superficial.

Constituyentes Biológicos:Animales Cursos de Aguas y plantas de tratamientoPlantas Cursos de aguas y plantas de tratamientoProtistas A. R. Domésticas, Plantas de tratamiento.Virus A. R. Domésticas.

FUENTE: METCALF & EDDY INC.

Las técnicas de muestreo y de análisis usadas para caracterizar las aguas residualesvan desde determinaciones químicas cuantitativas y precisas, hasta determinacionesbiológicas y físicas cualitativas.

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El muestreo se emprende principalmente para obtener propósitos tales como: datosoperacionales de rutina sobre el desempeño general de la planta, datos que puedenusarse para documentar el desempeño de un determinado proceso u operación, o biencomo datos necesarios para reportar cumplimiento de las normas.En la caracterización de las aguas residuales, los materiales gruesos son removidosgeneralmente antes de analizar sólidos en la muestra.La Transmitancia en este caso fue medida en un espectrofotómetro que utiliza unalongitud de onda específica (543 nm. El porcentaje de Transmitancia es afectado portodas las sustancias presentes en las aguas residuales capaces de absorber odispersar luz.Las principales sustancias que afectan el porcentaje de Transmitancia en aguasresiduales incluyen algunos compuestos inorgánicos por ejemplo, cobre y hierro,compuestos orgánicos como tintes, y compuestos con anillos conjugados comobenceno y tolueno. Y SST.La temperatura óptima para el desarrollo de la actividad bacteriana está en el rango de25-35 °C. Los procesos de digestión aerobia y nitrificación se detienen cuando latemperatura alcanza valores del orden de los 50°C. Cuando la temperatura se acercaa los 15°C, las bacterias productoras de metano cesan su actividad.Dado que el Nitrógeno y el fósforo son esenciales para el crecimiento biológico,reciben el nombre de nutrientes o bioestimulantes. El nitrógeno por su parte, esesencial para la síntesis de proteínas, se necesitan conocer datos sobre la presenciade este nutriente a la hora de evaluar la tratabilidad del agua mediante procesosbiológicos.El fósforo también es importante debido al nocivo crecimiento incontrolado de algas enaguas superficiales, se han realizado grandes esfuerzos para controlar la cantidad decompuestos del fósforo provenientes de descargas de aguas residuales.

A continuación se presenta un listado de los resultados experimentales de la mediciónde dichos parámetros, en diferentes periodos de muestreo.

Tabla 1.4 Resultados experimentales

Nitritos ( a 543 nm) Fosfatos (a 885nm)

Absorbancia Transmitancia Absorbancia Transmitancia0.12 67.8 0.002 9.70.19 64.5 0.272 5.40.41 34.8 1.04 90.39 44.2 0.825 14.60.268 54.2 0.764 170.286 51.8 1.07 8.40.478 34 1.62 30.532 29.2 1.18 6.80.341 45.8 0.123 7.50.374 42.2 0.112 7.740.672 21.2 0.209 6.160.504 31.4 0.756 18

Con un nivel promedio de DQO de 40.56 mg/lY un pH de 7-9 en diferentes ocasiones.

El grado hasta el cual se eliminan los constituyentes microbiológicos de las aguasresiduales mediante un proceso de tratamiento determinado se expresa en función de

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unidades logarítmicas{10 (por ejemplo, una reducción de 4 unidades logarítmicas}10 =10{4 = 99.99 % de la eliminación. Para lograr la calidad recomendada para riego sinrestricciones, se necesita reducir la concentración bacteriana al menos 4 unidadeslogarítmicas{10 y la concentración de huevos de helmintos, 3 unidades logarítmicas{10al tratar las aguas residuales de los servicios municipales. Bastará sólo con laeliminación de huevos de helmintos para proteger a los agricultores contra la infeccióncausada por éstos, pero deberán tomarse medidas de protección en el trabajo. Sepuede aceptar la eliminación en menor grado si se contempla la posibilidad de adoptarotras medidas de protección de la salud o si la calidad de las aguas residuales puedemejorarse después del tratamiento, ya sea mediante dilución en aguas naturales,almacenamiento prolongado o transporte a grandes distancias en un río o un canal.Con procesos convencionales (sedimentación simple, producción de lodo activado yuso de filtros biológicos, lagunas con aeración mecánica y zanjas de oxidación), amenos que se suplan con desinfección, no es posible producir un efluente que permitacumplir con la recomendación de <1000 bacterias Coliformes fecales por (100 ml parael riego de la categoría de tratamiento de aguas residuales, por lo general, no soneficaces para eliminar los huevos de helmintos y tienen muy poco efecto en loscontaminantes químicos de las aguas residuales.

Tabla 1.5 IMPACTOS GENERADOS AL MEDIO POR LAS AGUAS USADAS

CONTAMINANTE EFECTOMateria Orgánica Biodegradable Desoxigenación del agua, muerte de peces,

olores desagradables.Materia Suspendida Deposición en los lechos de los ríos: Si es MO se

descompone y flota mediante el empuje de losgases, cubre el fondo e interfiere con lareproducción de los peces o transforma la cadenaalimenticia.

Sustancias Corrosivas, Cianuros, Metales,Fenoles, etc.

Extinción de peces y vida acuática, destrucción debacterias y por lo tanto interrupción de la autopurificación.

Microorganismos patógenos. Las aguas residuales, pueden transportarorganismos patógenos, los residuos decurtiembres ántrax.

Sustancias que causan Turbiedad, Temperatura,Color, olor, etc.

El incremento de temperatura afecta los peces, elcolor, el olor y la turbiedad hacen estéticamenteinaceptable el agua para él publico.

Sustancias que transforman el EquilibrioBiológico.

Pueden causar crecimiento excesivo de hongos yde plantas acuáticas las cuales alteran elecosistema acuático, causan olores, etc.

Constituyentes Minerales Incrementan la dureza, limitan los usosindustriales sin tratamiento especial, incrementanel contenido de sólidos disueltos a nivelesperjudiciales para los peces o la vegetación,contribuyen a la eutroficación del agua.

FUENTE: METCALF & EDDY INC.

1.4 METODOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

Los principales procesos de tratamiento biológico de cultivo en suspensión empleadospara la eliminación de la materia orgánica carbonosa son: (A) el proceso de lodosactivados; (B) lagunas aireadas (C) Digestión Anaerobia y (D) Proceso de digestiónAerobia. De todos ellos, el proceso de lodos activados es el más ampliamente

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empleado en el tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas, sinembargo, no menos importante es la digestión aerobia, que ocupa la atención en elpresente trabajo.Las principales aplicaciones de estos procesos pueden ser entre otras, la eliminaciónde la materia orgánica carbonosa del agua residual, normalmente medida como laDBO, carbono orgánico total COT o demanda química de oxígeno DQO, nitrificación,desnitrificación eliminación de fósforo y luego la estabilización de lodos.A continuación se presenta un bosquejo de dichos procesos.

Proceso de lodos activados

Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Arden y Locket y su nombreproviene de la producción de masa activada de microorganismos capaz de estabilizarun residuo por vía aerobia.

Descripción del proceso.

Desde el punto de vista del funcionamiento, el tratamiento biológico de aguasresiduales mediante el proceso de lodos activados se suele llevar a cabo de lasiguiente manera: El residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantieneun cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con elnombre de líquido Mezcla . En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo laconversión en concordancia general con la estequiometría de las ecuacionessiguientes.

Oxidación y síntesis

COHNS + O2 + NUTRIENTES CO2 + NH3 + C5H7NO2 + OTROS PRODUCTOS (2.1)FINALES (nuevas células bacterianas)

Respiración Endógena

C5H7NO2 + 5O2 bacterias 5 CO2 + 2 H2O + NH3 + Energía liberada (2.2)

En estas ecuaciones COHNS representa la materia orgánica del agua residual.A pesar de que la respiración Endógena conduce a la formación de productos finalesrelativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se forman algunosproductos orgánicos estables. A partir de (2.2) se puede observar que si todas lascélulas se oxidan por completo, la DBO última de las células equivale a 1.42 veces elvalor de la concentración de células.

Microbiología del proceso

En la naturaleza, el papel clave de las bacterias es descomponer la materia orgánicaproducida por otros organismos vivos. En el proceso de lodos activados, las bacteriasson los microorganismos más importantes, ya que son los causantes de ladescomposición de la materia orgánica del afluente. En el reactor, o tanque deaireación, las bacterias o facultativas utilizan parte de la materia orgánica en forma decélulas nuevas. En realidad, solo una parte del residuo original se oxida a compuestosde bajo contenido energético tales como el NO3

-, EL SO4-2 o EL CO2; el resto se

sintetiza en forma de materia celular. Los productos intermedios que se forman antesde producirse los productos finales de oxidación son muy diversos, algunos de loscuales se muestran a la derecha de la ecuación (2.1)

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En general las bacterias que intervienen en el proceso de lodos activados incluyen losgéneros Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia,Bdellovibrio, Mycobacterium, y las dos bacterias nitrificantes más comunes, losNitrosomas y las Nitrobacter.Por otro lado, del mismo modo que es importante que las bacterias descompongan elresiduo orgánico tan pronto como sea posible, también lo es el que formen un flóculoadecuado, puesto que este punto constituye un requisito previo para la separación delos sólidos biológicos en la instalación de sedimentación. Se ha observado quecuando se aumenta el tiempo de retención celular mejoran las características desedimentación del flóculo biológico. En el caso de aguas residuales domésticas, lostiempos de retención celular necesarios para conseguir una buena sedimentaciónoscilan entre 3 y 4 días.

Análisis del proceso

La elaboración de un modelo cinético para describir este sistema precisa de doshipótesis:1. La estabilización de los residuos por parte de los microorganismos se produce

únicamente en el reactor. Esta hipótesis conduce a un modelo conservativo (enalgunos modelos se puede producir cierto grado de estabilización de los residuosen la unidad de sedimentación)

2. El volumen utilizado al calcular el tiempo medio de retención celular del sistemasólo incluye el volumen del reactor.

En efecto, se supone que el tanque de sedimentación sirve como depósito desde elque se recirculan los sólidos para mantener un nivel determinado de éstos en eltanque de aireación. Si el sistema es tal que no se empleen estas hipótesis, esnecesario introducir modificaciones en el modelo propuesto. Por ejemplo, en sistemasde lodos activados con oxígeno puro, se ha demostrado que más del 50% de lossólidos totales del sistema pueden estar presentes el en tanque de sedimentaciónsecundaria.

Lagunas Aireadas

Las lagunas aireadas (a veces denominadas estanques aireados ), se desarrollarona partir de estanques de estabilización facultativos en los que se instalaron aireadoresde superficie para eliminar los olores que se producían al estar sometidas asobrecargas orgánicas. Aunque en la literatura se pueden encontrar diversasdefiniciones de los procesos de lagunas aireadas, se mencionará una descripciónelegida para el presente trabajo.

Descripción del proceso

El proceso de lagunaje aireado es esencialmente el mismo que el de lodos activadosde aireación prolongada convencional ( c = 20 días), excepto que se usa comoreactor un depósito excavado en el terreno. El oxígeno necesario en el proceso sesuministra mediante difusores o aireadores superficiales. En una laguna aerobia, la

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totalidad de los sólidos se mantienen en suspensión. En el pasado las lagunasaireadas se operaban como los sistemas de lodos activados sin recirculación, y solíanir seguidas de grandes estanques de sedimentación.

Microbiología del proceso

Dado que el proceso de lagunaje aireado es, esencialmente, el mismo que el de lodosactivados, la microbiología es también similar. Existen algunas diferencias, puesto quela gran superficie asociada a las lagunas aireadas puede dar lugar a efectos térmicosmás señalados de lo que es normal en el proceso convencional de lodos activados.

En los sistemas de lagunas aireadas es posible llevar a cabo el proceso denitrificación, tanto en forma estacional como en continuo. El grado de nitrificacióndepende del diseño y de las condiciones de funcionamiento del sistema, así como dela temperatura del agua residual. Generalmente, cuanto más alta sea la temperaturade ésta y cuanto menores las cargas (aumento del tiempo de retención del lodo),mayor será el grado de nitrificación alcanzable.

Análisis del proceso

El análisis de una laguna aireada se puede llevar a cabo utilizando la técnica descritapara un sistema aerobio de mezcla completa sin recirculación, o bien elprocedimiento para un proceso de lodos activados con recirculación, dependiendo delmétodo de funcionamiento utilizado.

Digestión Anaerobia

Es uno de los procesos más antiguos usados. En este proceso se produce ladescomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígenomolecular, sus principales aplicaciones han sido en el tratamiento del agua residual yde determinados residuos industriales.

Descripción del Proceso

En el proceso de digestión anaerobia, la materia orgánica contenida en la mezcla deagua y lodo, se convierte biológicamente bajo condiciones anaerobias, en metano(CH4) y dióxido de carbono CO2. El proceso se lleva a cabo en un reactorcompletamente cerrado. El agua residual se introduce en el reactor de maneracontinua.

Microbiología del Proceso

La conversión biológica de la materia orgánica del agua parece que se produce entres etapas:El primer paso del proceso es la transformación por vía enzimática (hidrólisis) de loscompuestos de alto peso molecular en compuestos que puedan servir como fuentesde energía y de carbono celular. El segundo paso (acidogénesis), implica laconversión bacteriana de los compuestos producidos en la primera etapa encompuestos intermedios identificables de menor peso molecular. El tercer paso(metanogénesis), supone la conversión bacteriana de los compuestos intermedios enproductos finales más simples, principalmente metano y dióxido de carbono.En un digestor (reactor), la conversión de la materia orgánica y de los residuos selleva a cabo mediante la acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Un

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grupo de microorganismos se ocupa de la hidrolización de los polímeros orgánicos yde los lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos,los aminoácidos etc. Un segundo grupo de bacterias anaerobias también fermenta losproductos de la descomposición para producir ácidos orgánicos simples, de los quese representa con mayor frecuencia en los digestores (reactores) es el ácido acético.

Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrógeno y el ácido acético,originado por las bacterias formadoras de ácidos, en gas metano y en dióxido decarbono. Los principales géneros de microorganismos que se han identificadoincluyen los bastoncillos (methanobacterium, methanobacilus y las esferas(methanococus, methanosarcina). Las bacterias más importantes de este grupo, sonlas que degradan el ácido acético y el ácido propiónico, tienen tasas de crecimientomuy lentas, razón por la cual se considera que su metabolismo es un factor limitantedel tratamiento anaerobio de los residuos orgánicos. La estabilización se alcanzacuando se produce metano y dióxido de carbono. El gas metano así producido esaltamente insoluble.Es importante notar que las bacterias generadoras de metano sólo pueden empleardeterminados substratos para llevar a cabo su función. Hoy en día se sabe que lassustancias que sirven como sustrato a los organismos metanogénicos son: CO2+ H2 ,formiato, acetato, metanol, metilaminas y monóxido de carbono.Las reacciones típicas de producción de energía ligadas a estos compuestos son lassiguientes:

4 H2 + CO2 CH4 + 2 CH2O (2.3.1)4 HCOOH CH4 + 3 CO 2 + 2H2O (2.3.2)CH3COOH CH4 + CO2 (2.3.3)4 CH3OH 3 CH4 + CO2 + 2 H20 (2.3.4)4(CH3)3N + H2O 9 CH2 + 3 CO2 + 6H2O + 4NH3 (2.3.5)

En un reactor anaerobio, las dos vías principales de producción de metano son: (1) laconversión de hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua (ecuación 2.3.1), y(2) la conversión de acetato en metano y dióxido de carbono (ecuación 2.3.3). Losorganismos metanogénicos y los acidogénicos comparten una relación sintrópica esdecir, mutuamente beneficiosa, en la que los metanogénicos convierten en metano ydióxido de carbono los productos finales de la fermentación, tales como el hidrógeno,el formiato o el acetato. Son capaces de utilizar el hidrógeno producido por losorganismos acidogénicos debido a su eficacia en la hidrogénesis. Los primeros, soncapaces de mantener la presión parcial de hidrógeno a valores extremadamentebajos, el equilibrio de las reacciones de fermentación se desplaza en el sentido de laformación de productos finales más oxidados (por ejemplo formiato y acetato). Lautilización del hidrógeno producido por los acidogénicos y otras bacterias anaerobias,por parte de los organismos metanogénicos, se conoce con el nombre detransferencia de hidrógeno entre especies. De hecho, las bacterias metanogénicaseliminan compuestos que pueden inhibir el crecimiento de los microorganismosacidogénicos.Con objeto de mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabilicecorrectamente el residuo orgánico, los microorganismos formadores de ácidos y demetano se deben encontrar en un estado de equilibrio dinámico. Para mantener dichoestado, el contenido del reactor deberá carecer de oxígeno disuelto y estar libre deconcentraciones inhibitorias de constituyentes tales como los metales pesados y lossulfuros. Además, el medio acuoso deberá presentar valores de pH situados entre6.6 y 7.6. también deberá existir una alcalinidad suficiente para que el pH del sistemano descienda por debajo de 6.2, puesto que este punto marca el límite de actividad delas bacteria formadoras de metano. Mientras la digestión prosiga con normalidad, la

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alcalinidad oscilará entre 1000 y 5000 mg/l, y la concertación de ácidos volátiles seráinferior a 250 mg/l. Es necesario disponer de suficiente cantidad de nutrientes talescomo nitrógeno o fósforo, para asegurar el crecimiento adecuado de la comunidadbiológica. La temperatura también es un parámetro ambiental importante. Losintervalos de temperatura óptimos son el mesolífico (30 a 38 °C) y el termolífico (49 a57 °C).El proceso anaerobio depende de reacciones de transferencia de H2 Inter-especiescomo:Digestión inicial de las sustancias macromoleculares por Proteasas, polisacaridasas ylipasas extracelulares hasta sustancias solubles.Fermentación de los materiales solubles a ácidos grasos.Fermentación de los ácidos grasos a acetato, CO2 e H2. Conversión de H2 mas CO2 yacetato en CH4 (metano) por las bacterias metanogénicas.Las bacterias celulolíticas rompen las células en celulosa, celobiosa y glucosa libre; laglucosa es fermentada por anaerobios en varios productos de fermentación: acetato,propionato, butirato, H2 y CO2.Las bacterias metanogénicas, homoacetogénicas o reductoras de sulfatos, consumeninmediatamente cualquier H2 producido en procesos fermentativos primarios. Losorganismos claves en la conversión de sustancias orgánicas complejas en metano,son bacterias productoras de H2 y oxidantes de ácidos grasos, por ejemploSyntrophomonas y Syntrophobacter, las primeras oxidan los ácidos grasosproduciendo acetato y CO2 y las ultimas se especializan en la oxidación de propionatoy genera CO2 y H2. En muchos ambientes anaeróbicos los precursores inmediatos delmetano son el H2 y CO2 por parte de las bacterias metanogénicas: Metanosphaera,Polímeros Complejos, Celulosa, y otros polisacáridos, como las Proteínas.

Análisis del proceso

Las ventajas e inconvenientes del tratamiento anaerobio de un residuo orgánico, encomparación con el tratamiento aerobio, vienen condicionadas por el lento crecimientode las bacterias formadoras de metano. El lento crecimiento de estas bacterias obligaa tiempos de retención mas dilatados para conseguir una adecuada estabilización delos residuos. No obstante, este bajo crecimiento implica que sólo una pequeña partedel residuo orgánico biodegradable está siendo sintetizado en forma de nuevascélulas. Mediante la acción de las bacterias propias, la mayor parte del residuoorgánico se transforma en metano, que es un gas combustible y, por ello, un productofinal útil. Si se producen cantidades suficientes de dicho gas, como ocurre en eltratamiento de lodos, el gas puede ser empleado para la generación de energía o paraproporcionar calefacción a edificios.A causa de la baja tasa de crecimiento celular y de la conversión de la materiaorgánica en gas metano y dióxido de carbono, la materia sólida resultante suele estarbastante bien estabilizada. Esto la convierte, tras el proceso de deshidratación o desecado, en un material apto para su evacuación en vertederos, para el compostaje, opara su aplicación al terreno. Debido a la gran proporción de materia celular orgánica,los sólidos del lodo resultante de los procesos aerobios se suelen digerir de maneraanaerobia.A altas temperaturas necesarias para lograr un tratamiento adecuado se les sueleachacar los principales inconvenientes con los que tropieza el proceso de digestiónanaerobia. Sin embargo, dichas temperaturas sólo son necesarias cuando no sepueden conseguir tiempos medios de retención celular suficientemente largos a lastemperaturas nominales. En los sistemas de digestión anaerobia, el tiempo medio deretención celular coincide con el tiempo de retención hidráulico del liquido dentro delreactor. Conforme aumenta la temperatura, se producen reducciones importantes en el

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tiempo mínimo de retención celular. Por lo tanto, un aumento de la temperatura, nosólo reduce el tiempo de retención necesario para alcanzar un nivel de tratamientoadecuado, sino que también reduce el tiempo de retención hidráulica asociado, lo cualpermite disponer de reactores de menor volumen.

Digestión Aerobia

Es un método alternativo de tratar lodos orgánicos producidos en el curso de lasdiversas operaciones de tratamiento. Los digestores (reactores) se pueden emplearpara el tratamiento de (1) únicamente lodos activados o de filtros precoladores a ;(2) mezclas de lodos primarios, o (3) lodo biológico en exceso de plantas detratamiento de lodos activados de sedimentación primaria. Actualmente, suelenemplearse dos variantes del proceso de digestión aerobia: el sistema convencional y elsistema con oxígeno puro, aunque también se ha empleado la digestión aerobiatermófila. b

Descripción del Proceso

En la digestión aerobia convencional, el lodo se airea durante un largo periodo en untanque abierto, sin calefacción, empleando difusores o aireadores superficiales. Elproceso se puede llevar a cabo de manera continua o discontinua. En plantas depequeño tamaño se emplea el sistema discontinuo, en el que el lodo se airea y semezcla completamente durante un largo periodo, dejándose sedimentar. En lossistemas continuos, la decantación y concentración del lodo se realiza en un tanqueindependiente. La digestión con oxígeno de gran pureza es una modificación delproceso de digestión aerobia en el que se sustituye el aire por oxígeno de gran pureza.El lodo que resulta es parecido al lodo que se obtiene en los procesos de digestiónaerobia convencional.La digestión aerobia termófila representa un refinamiento adicional del proceso dedigestión aerobia. Este proceso puede permitir conseguir altos rendimientos deeliminación de la fracción biodegradable (superiores al 80%) en tiempos de retencióncortos (de 3 a 4 días) mediante la acción de las bacterias termófilas a temperaturasentre 25 y 50°C superiores a la temperatura ambiente.

Microbiología del proceso

La digestión Aerobia, como se ha comentado, es similar al proceso de lodos activados.Al agotarse el suministro de substrato disponible, los microorganismos empiezan aconsumir su propio protoplasma para obtener energía para las reacciones demantenimiento celular. Cuando ocurre esto, se dice que los organismos se hallan enfase endógena. El tejido celular se oxida a dióxido de carbono, amoniaco y agua porvía aerobia. En la práctica sólo se puede oxidar entre el 75 y 80 % del tejido celular,puesto que el resto está formado por componentes inertes y compuestos orgánicos no

biodegradables. El amoniaco producido se oxida a nitrato a medida que avanza lareacción.Si se mezcla lodo activado, o lodo procedente de filtros precoladoresb, con lodoprimario para su digestión aerobia conjunta, se producirá tanto la oxidación directa dela materia orgánica del lodo primario como la oxidación endógena del tejido celular.Desde el punto de vista de su funcionamiento, se puede concluir que la mayoría de losdigestores aerobios son reactores de flujo arbitrario sin recirculación.

b para una definición detallada consúltese Pág. 459 de referencia bibliográfica 3.

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El crecimiento de los microorganismos y su actividad degradativa crecenproporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicasacompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para eldesarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales; losflóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar undiámetro de unos mm dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculosse ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por lasmicrofibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras.El 40 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasabacteriana y el 50 60% de las mismas se degrada.La acción degradativa o depuradora de los microorganismos en un proceso se midepor el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dichadisminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos yde la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa así mismo enunidades de DBO.El numero de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millonespor ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera,que forma grandes colonias con numerosas células encerradas en una gruesa cubiertamucilaginosa común, las células individuales libres se mueven con ayuda de flagelospolares. Entre las bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneroscon metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcaligenes,Arthrobacter, Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Perotambién se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son fermentativas enausencia de sustratos oxigenados, de los géneros Aeromonas, Enterobacter,Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas las bacteriascontribuyen con las cápsulas de mucílago y con las microfibrillas al crecimientocolonial y a la formación de los flóculos.En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora se reparteequitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de bacterias y en lacirculación y formación de flóculos juegan un importante papel los numerososprotozoos existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y pedunculados de losgéneros Vorticela, Epystilis y Carchesium, aunque también puedan nadar librementecomo los Colpidium que aparecen a la par de ellos, alimentándose de las bacterias devida libre que se encuentran tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Sufunción es esencial en la consecución de unas aguas claras y bien depuradas.La salida de los lodos activados sintéticos libres de ciliados se ve contaminada yenturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculación deciliados que crecen rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora elcrecimiento y la circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan unefluente más limpio. Además en los fangos activados aparecen regularmente hongodedaficos y levaduras, siendo las mas frecuentes las especies de Geotrichum,Trichosporum, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium.

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Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos orgánicos,fosfatos y nitratos disueltos que solo se degradaran ya lentamente.

Los nitratos se forman por oxidación del amonio desprendido en la degradación decompuestos orgánicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias Nitrificantes,uno de cuyos grupos esta reprensado en las aguas residuales principalmente porNitrosomonas y Nitrosospira, que únicamente llevan a cabo la reacción de oxidacióndel amonio a nitrito para obtener energía metabólica, mientras que un segundo grupode bacterias, que aparece siempre junto al ya citado y que esta reprensado porNitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene energía gracias exclusivamente a esteproceso:

Oxidación del amonio:

NH4 + ½ O2 a NH2OH + HNH2OH + O2 + 2ADP + 2PO4 a HNO2 + H2O + 2 ATP

Oxidación del nitrito:NO2 + ½ O2 + ADP + PO4 a NO3 + ATP

Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio de aguasresiduales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan mas decomponentes acompañantes que de degradantes y algunas algas como Anabaenaque convierte los poliuretanos en H2; Chrorella los alginatos los convierte en glicolato;Dulaniella los alginatos en glicerol; Nostoc el agar el H2; Algas como el Volvox,Tabellaria, Anacistis y Anabaena; las algas que obstruyen los filtros son Anacistis,Chorella, Anabaena y Tabellaria.

Análisis del procesoLos factores a tener en cuenta en el análisis de los digestores aerobios incluyen entiempo de retención hidráulica, los criterios de la carga del proceso, las necesidadesde oxígeno, las necesidades energéticas para el mezclado, las condicionesambientales y el funcionamiento y explotación del proceso.

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2.2.REQUERIMIENTOS PARA LA SÍNTESIS CELULAR Y EL CRECIMIENTO DEMICROORGANISMOS

Enzimas.Las enzimas son proteínas combinadas bien sea con una molécula orgánica de bajopeso molecular. Actúan como catalizadores, tienen la capacidad de aumentarenormemente la velocidad de reacciones químicas sin alterar su estructura.Se conocen por su alto grado de eficiencia en la conversión de un sustrato en productofinal.

NutrientesSon substancias químicas necesarias para el desarrollo de los microorganismos y sepueden dividir en cuatro grupos: fuentes de Carbono, Fósforo, Nitrógeno yoligoelementos o elementos minoritariosLos nutrientes en lugar de los sustratos orgánicos de las aguas residuales pueden seren ocasiones el material limitante (reactivo limitante) para la síntesis celular y elcrecimiento. Las bacterias necesitan nutrientes para el crecimiento principalmente,nitrógeno y fósforo como ya se ha mencionado anteriormente. Estos nutrientes puedenno estar en cantidades suficientes por lo que puede ser necesario agregar nutrientes alos desechos para permitir el crecimiento adecuado de las bacterias y obtener ladegradación necesaria. Los microorganismos pueden degradar hidrocarburos y otrassustancias contaminantes en forma de cultivos puros (especie única) o cultivos mixtos(varias especies que mantienen una relación simbiótica). Cuando se trata de esteúltimo caso, el tratamiento biológico implica una compleja interacción de especiesmicrobianas. La velocidad de crecimiento y la utilización de sustratos es generalmentesuperior en cultivos mixtos que en cultivos puros. Los metales y las sales en altasconcentraciones intoxican a los microorganismos o actúan como biocidas. Entre estosse incluyen metales pesados, sodio en alta concentración, sales inorgánicas (NaCl,sulfatos, carbonatos, etc.). En general la presencia de sales y metales disminuye lavelocidad de degradación en forma importante a menos que se disponga demicroorganismos tolerantes en el lugar de tratamiento o se haya producido unabioaumentación con consorcios resistentes.

BacteriasEl control efectivo del medio en el que se desarrolla el tratamiento biológico del aguaresidual se basa en la comprensión de los principios fundamentales que rigen elcrecimiento de los microorganismos, en particular las bacterias, son los de mayorimportancia.La forma general en que se produce el crecimiento de las bacterias en un cultivo, seilustra en la figura 2.2.1. inicialmente, se inocula un pequeño número de organismosen un volumen determinado de un medio de cultivo y se registra el número deorganismos viables en función del tiempo. El modelo de crecimiento basado en elnúmero de células consta, mas o menos, de cuatro fases diferenciales.

1. Fase de retardo. Tras la adición de un inóculo a un medio de cultivo, la fase deretardo representa el tiempo necesario para que los organismos se aclimaten a lasnuevas condiciones ambientales y comiencen a dividirse.

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Fase estacionaria

Log. Del número de célulasFase de muerte

Fase de crecimiento exponencial

tiempo

figura 2.2.1 curva de crecimiento bacteriano típica, en términos de número de bacterias

2. Fase de crecimiento exponencial. Durante esta fase, la célula se divide a unavelocidad determinada por su tiempo de generación y su capacidad de procesaralimento (tasa constante de crecimiento porcentual)

3. Fase estacionaria. En esta fase, la población permanece constante, porque estascélulas han agotado el substrato o los nutrientes necesarios para el crecimiento, yla generación de células nuevas compensa con la muerte de células viejas.

4. Fase de muerte exponencial. Durante esta fase, la tasa de mortalidad de bacteriasexcede la de generación de células nuevas. La tasa de mortalidad suele serfunción de la población viable y de las características ambientales. En algunoscasos, la fase de muerte exponencial se corresponde con la inversa de la fase decrecimiento exponencial.

2.3 TRENES DE TRATAMIENTO CONOCIDOS

El presente trabajo no tiene la finalidad de dar seguimiento a los pasos más comunesen el tratamiento de aguas residuales, sin embargo, a manera de informaciónnecesaria en algún caso, se añade una pequeña reseña del proceso de tratamiento deagua residual normalmente utilizado.

El propósito del tratamiento de las aguas residuales, consiste en separar de ellas lacantidad suficiente de sólidos que permita que los que queden al ser descargados alas aguas receptoras no interfieran con el mejor o más adecuado empleo de lasmismas.

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A pesar de que son muchos los métodos usados para el tratamiento de las aguasresiduales, todos pueden incluirse dentro de los cinco procesos siguientes:

1) tratamiento preliminar2) tratamiento primario3) tratamiento secundario4) tratamiento terciario5) cloración

Tratamiento preliminar.Esta destinado a eliminar o separar los sólidos mayores o flotantes, a eliminar lossólidos inorgánicos pesados y eliminar cantidades excesivas de aceites o grasas.

Tratamiento primario.Por medio de este tratamiento se separan o eliminan la mayoría de los sólidossuspendidos en las aguas residuales, o sea aproximadamente de 40 a 60 por ciento,mediante el proceso físico de asentamiento, en tanques de sedimentación. Cuando seagregan ciertos productos químicos en los tanques primarios se eliminan casi todoslos sólidos coloidales, así como los sedimentables, (un total de 80 a 90 por ciento) delos sólidos suspendidos. La actividad biológica en las aguas residuales durante esteproceso, tiene escasa importancia.El propósito fundamental de los dispositivos para el tratamiento primario, consiste endisminuir suficientemente la velocidad del agua para que puedan sedimentarse lossólidos.

Tratamiento secundario.Este tratamiento depende principalmente, de los organismos aerobios o anaerobios,para la descomposición de los sólidos orgánicos hasta transformarlos en sólidosinorgánicos estables.Este tratamiento debe hacerse cuando el agua residual todavía contiene, después deltratamiento primario, más sólidos orgánicos en suspensión o solución que los quepuedan ser asimilados por las aguas receptoras sin oponerse a su uso normaladecuado.

Tratamiento terciario.Implica la purificación del agua para volverla a utilizar nuevamente. El tratamiento seselecciona de acuerdo con el uso a que se destine esa agua.Cuando se va a utilizar el agua para el enfriamiento o el transporte de materiales no sele da ningún tratamiento, pero si se desea utilizarla para generar vapor o lavar apresión, es necesario lavarla y desoxigenarla. Para poder recircular agua en laindustrial alimentaria y en la de papel es necesario desinfectarla y desmineralizarla.

DesinfecciónEste es un método de tratamiento que puede emplearse para muy diversos propósitos,generalmente se aplica el cloro al agua con los siguientes propósitos:

1) Desinfección o destrucción de organismos patógenos2) Prevención de la descomposición de las aguas residuales para controlar el

olor, protección de las estructuras de la planta.

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3) Como auxiliar en la operación de la planta para la sedimentación, en los filtrosgoteadores, el abultamiento de los lodos activados.

4) Ajuste o abatimiento de la demanda bioquímica de oxigeno.

La desinfección -de ordinario mediante cloración- de las aguas residuales sin tratarnunca se ha logrado a cabalidad en la práctica. Se puede emplear para reducir elnúmero de bacterias excretadas en los efluentes de una planta de tratamientoconvencional si ésta funciona bien. Sin embargo, es muy difícil y costoso manteneruna tasa elevada, uniforme y previsible de eficacia en la desinfección. En todo caso, lacloración no afectará en nada a los huevos de los helmintos. Siempre que se puedacumplir a cabalidad sobre la calidad de los efluentes mediante tratamiento en unestanque de estabilización bien diseñado o en un depósito de aguas residuales sincloración, no es necesaria ni se justifica la desinfección.

Algunas veces el tratamiento terciario se emplea para mejorar los efluentes deltratamiento biológico secundario donde se pretende emplearlos en agricultura yacuicultura. En varios países se ha empleado la filtración rápida en arena con ese fin,sobre todo para poder eliminar mejor los sólidos y nutrientes en suspensión y reducirla demanda bioquímica de oxígeno, pero poco se sabe de su capacidad para eliminarlos microorganismos patógenos.

La experiencia en el empleo de esa práctica para el tratamiento de agua indica que lareducción de las concentraciones de bacterias y virus podría ser solo nominal. Sinembargo, la eliminación de huevos de helmintos en una planta de filtración en buenfuncionamiento puede ser sustancial. Se necesitan investigaciones más detalladas conel fin de determinar los resultados efectivos de la filtración rápida para la eliminaciónde huevos de helmintos y de proporcionar directrices sobre diseño para emplear estatécnica para el tratamiento terciario de aguas residuales.Una mejor posibilidad para el tratamiento terciario consiste en agregar uno o másestanques en serie a una planta de tratamiento convencional. El agregar esosestanques de "depuración" es una forma apropiada de mejorar el tratamiento de aguasresiduales, de modo que se puedan emplear los efluentes para el riego de cultivos ozonas verdes y en acuicultura.

Para que esta transformación biológica sea eficiente, deben establecerse lascondiciones adecuadas para el crecimiento bacteriano: temperatura 30-40°C;oxígeno2 ppm; pH = 6,5-8,0 , salinidad < 3.000 p.p.m. Para evitar la inhibición deeste crecimiento es preciso la ausencia de sustancias tóxicas como son los metalespesados Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb y otros, así como cianuros, fenoles y aceites. Los procesos de tratamiento biológico se pueden dividir según el estado en que seencuentren las bacterias responsables de la degradación. La biomasa bacterianapuede estar soportada sobre superficies inertes tales como rocas, escoria, materialcerámico o plástico, se habla de lecho fijo, o puede estar suspendida en el agua atratar como en este caso. En cada una de estas situaciones la concentración deoxígeno en el agua determina la existencia de bacterias aerobias, facultativas oanaerobias. Los procesos aeróbicos con biomasa suspendida que más se aplican sonlos de lagunas aireadas y los de lodos activados, que han sido mencionadosanteriormente.

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2.4 REACTOR ANAERÓBIO DE LECHO FLUIDIZADO (inverso)

JUSTIFICACIONEl proceso de fermentación anaeróbia ha sido reconocido como un proceso útil entratamientos de aguas residuales. En el pasado sin embargo, la aplicación de ésteproceso fue grandemente favorecido en el tratamiento de lodos de las alcantarillas deaguas municipales y residuos animales, para mejorar la estabilidad del agua y lareducción de sólidos. Todavía, el proceso de fermentación anaeróbica puede serusado para tratar sólidos diluidos y concentrados, aunque esto ocurre raramente en lapráctica en ingeniería. Ésta falta de aplicación es probablemente debido a la falta deconocimiento de los conceptos fundamentales asociados con la producción demetano por medio de un proceso anaeróbio y en general el sentimiento de imprecisiónasociada con la digestión anaeróbia.

A diferencia del pasado, los avances en conocimientos básicos de microbiología ybioquímica, así como los avances en tecnología en hardware han proporcionado laayuda para superar muchos problemas asociados con la fermentación anaeróbia.Aunado a esto, la escasez de energía ha proporcionado un interés adicional en ésteproceso de fermentación, debido a sus equilibrios positivos de energía. Entre el másnuevo avance tecnológico se encuentra el proceso mediante lecho expandido yfluidizado y su aplicación en sistemas anaerobios.El filtro anaerobio es una columna rellena de diversos tipos de medios sólidos que seutiliza para el tratamiento de la materia orgánica carbonosa contenida en el aguaresidual. El agua a tratar, en éste caso en particular fluye en sentido descendente,entrando en contacto con el medio sobre el que se desarrollan y fijan las bacteriasanaerobias. Dado que las bacterias están adheridas al medio y no son arrastradas porel efluente, se pueden obtener tiempos medios de retención celular del orden de loscien días. En consecuencia, es posible conseguir grandes valores de tiempos deretención, con bajos tiempos de retención hidráulica. De este modo, el filtro anaerobiose puede emplear para el tratamiento de residuos de baja concentración a temperaturaambiente.

2.4.1 EL DESARROLLO DEL PROCESO

Reseña históricaEl desarrollo de lechos fluidizados y expandidos en el tratamiento de aguas residualesha sido revisado por Cooper y Wheeldon (1980.) Estos sistemas han sido utilizadospara desnitrificación de agua, agua residual, oxidación anaeróbica de DBO removido ynitrificación, así como fermentación del agua residual.La aplicación de ésta tecnología para el tratamiento anaeróbio fue desarrollado en ellaboratorio del Dr. William J. Jewell de la Universidad de Cornell (1982) originalmente,fue visto como un método para optimizar sistemas anaeróbicos, trabajo que realizaronJewell y Mackenzie (1972), demostrando que la película tenía la capacidad deremoción doble de los sistemas suspendidos bajo las mismas condiciones. En unestudio subsiguiente, Jewell propuso (1974) el proceso de lecho expandido como unamedida de optimización en sistemas aeróbicos. Esto basado en el hecho de que lasgrandes concentraciones de biomasa podían lograrse en el área de superficiegrande proporcionada por las pequeñas partículas de arena clasificadas.Las pequeñas partículas, que habrían de la fluidización minimizarían las limitacionesde difusión y eliminarían los problemas de la obstrucción.

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2.4.2 DESCRIPCIÓN DEL REACTOR Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

El principio básico del proceso de lecho móvil es el crecimiento de la biomasa en unsoporte plástico que se mueve en el reactor biológico mediante sistemas mecánicosen reactores anaerobios. El soporte es de material plástico con densidad próxima a 1gr/cm3 que le permite moverse fácilmente en el reactor incluso con porcentajes dellenado del 70%.

El lecho fluidizado/expandido Ha sido aplicado para el tratamiento de aguasresiduales.Consiste en partículas inertes de plástico expandido con el flujo hacia abajo de aguaresidual a través de la columna.

influenteCH4 + CO2

Recirculación

Soporte

Las partículas inertes actúan como soporte para el crecimiento de microorganismos. Elgrado de expansión en estos sistemas depende del tipo de reacción biológica, aunadoal crecimiento de la biomasa en el medio, y así como disminuciones globales de ladensidad de las partículas. Estos sistemas de alto rendimiento, pueden tener altosgrado de expansión ( debido a biopelículas más desarrolladas.

En el proceso de lecho expandido, el agua residual a tratar se bombea a través de unlecho de un material adecuado, como el que se ha descrito anteriormente, en el quese ha desarrollado un cultivo biológico. El efluente se recircula para diluir el aguaentrante y para mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halleexpandido. Se han llegado a emplear concentraciones de biomasa superiores a 15-000-40000 mg/l. (Aunque este no es el caso), debido a las altas concentraciones debiomasa que se pueden conseguir, el proceso de lecho expandido también se puedeemplear para el tratamiento de aguas residuales municipales, con tiempo de retenciónhidráulica muy pequeños. En el tratamiento de este tipo de residuos, la presencia desulfatos puede producir la generación de sulfuro de hidrógeno, para cuya captura en lafase de solución se han desarrollado diferentes métodos.

Estos procesos surgen de la tendencia actual, en el tratamiento de aguas residuales,del empleo de procesos que aporten, para el crecimiento de la biomasa, una superficie

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específica elevada en el reactor y de este modo reducir volumen del reactor biológico.El uso de éste tipo de tratamientos resulta ventajoso, especialmente debido a que lacantidad de lodo producido es considerablemente inferior a la cantidad producida enun proceso aerobio. Así como ya se ha mencionado, la recuperación del metano.

Los procesos de lecho móvil presentan grandes ventajas de operación evitando losproblemas de atascos que pueden surgir en lechos fijos en los que se da uncrecimiento importante de biomasa.

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3. HIDRODINAMICA

Hidrodinámica y transporte de sólidos para la interfase biopelícula-fluido.

En mecánica de fluidos, el riguroso tratamiento matemático de los problemas, conbase exclusivamente en los métodos analíticos, no siempre permite llegar a la solucióncompleta, a menos que se plateen hipótesis simplificatorias que, además de restargeneralidad a la solución, pueden llegar a falsear los resultados a tal grado que notengan relación alguna con el comportamiento real del fenómeno.

Los modelos hidráulicos han encontrado creciente aplicación para controlar y modificardiseños analíticos de estructuras hidráulicas. Lo anterior en ningún caso significa queuna técnica sustituya a la otra. Sería un error suponer que una serie de resultados y dereglas sencillas obtenidas de la investigación experimental como en el presentetrabajo, supla un tratamiento racional del mismo, pudiendo ocurrir que dichosresultados tuvieran validez sólo en el intervalo de valores para el cual se efectuaronlas mediciones.

Aspectos generales

La acumulación de biopelícula es el resultado neto de adsorción y desorción de celdaspara el sustrato, crecimiento de los microorganismos en el caso de conductos depequeño diámetro o en medios porosos, y la filtración de biomasa suspendida. Ladinámica de la población microbial colocada en la superficie de los conductos y mediosporosos están influenciadas por las condiciones ambientales. Consecuentemente, hayuna frecuente y constante interacción entre la hidrodinámica del sistema, las variablesde transporte y los procesos que contribuyen en la acumulación de la biopelícula.

Los procesos de transporte de materia orgánica, que interactúan con la acumulaciónde biopelícula incluyen dispersión a lo largo de la ruta del flujo, la difusión en ladirección radial, es decir tangencial a la ruta del flujo y reacción de la materia orgánicacon los alrededores. La materia orgánica disuelta de predominante interés en sistemasde biopelícula incluyen sustratos, restos de nutrientes, oxígeno como se hamencionado ya con anterioridad. Importantes constituyentes no solubles incluyenceldas suspendidas, sustancias extracelulares poliméricas y partículas inorgánicas. Ladistribución temporal/espacial de concentraciones de sustancias disueltas, gobernadapor el proceso de transporte controla la acumulación de la biopelícula.

En la transferencia, el trasporte de materia orgánica disuelta y los procesos debiopelícula están influenciados por la distribución y abundancia de micro-remolinos enla interfase agua-biopelícula, la rugosidad de la superficie, espesor de la capa límite ymedida de la velocidad a lo largo de la ruta del flujo.

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figura3.1 Representación esquemática de l reactor, la biopelícula, y el elemento de volumen

La figura anterior trata de ejemplificar la acumulación en la biopelícula cuando losmicroorganismos se encuentran en la superficie y forman una colonia completa. Enmuchos casos, los microorganismos ocupan la superficie completamente, pero esregularmente observado un crecimiento muy lento. La acumulación de la biopelículaes el resultado de los diversos procesos de transporte, el proceso de transferenciainterfacial, y el proceso de transformación o crecimiento. La figura 2.3.1 muestra elelemento de volumen de la biopelícula (micro escala), representando la unidad máspequeña en el sistema de la biopelícula, con la facilidad de considerar también labiopelícula enfocándose en el reactor (macro escala)

El elemento de volumen contiene las células microbianas, agua, y en muchos casos,polímeros que se denomina materia extra celular. (EPS) considerando a todos losmicroorganismos juntos y en la superficie. El sistema de la Biopelícula consiste en labiopelícula, el sustrato y el medio en donde la biopelícula se encuentra inmerso( líquido, gas atmosférico.

La biopelícula puede verse como la unión del elemento de volumen, rodeado por lasuperficie del sustrato y la interface entre la biopelícula y la película líquida. Lainterfase biopelícula-liquido no está siempre bien definida, puede existir una pequeñaárea de transición entre la biopelícula y el líquido. La fase sólida puede contener, losmicroorganismos, enzimas, EPS, y diversas partículas, Mientras que en la faseliquida están presentes sustancias inertes, metabolitos, sustratos y tambiénmicroorganismos. El elemento de volumen consiste en células microbianas que son enmuchos casos, empacadas en un polímero, como en éste caso. Se considera comouna estructura porosa similar a una esponja, en la que en sus espacios tambiénalberga cantidades de agua. El sustrato, donde se lleva a cabo la acumulación, labiopelícula y el seno del líquido son los componentes principales; cada compartimientopor así llamarlos, es caracterizado por su última fase: sólida, líquida o gas, por lo tanto,cada uno de ellos puede describirse en términos de los parámetros termodinámicos osus propiedades de transporte predominantes en su respectiva fase. Lascaracterísticas del sustrato influyen sobre la tasa de acumulación en la distribucióninicial del crecimiento

influente sustrato seno del líquido microorganismos (células)

gas fase líquida

efluente Interfase

Reactor Biopelícula elemento de volumen

28

Figura 3.2

Los conceptos de flujo laminar y turbulento son fundamentales para la hidrodinámicaclásica. En flujo laminar o viscoso las fuerzas inerciales del fluido son insuficientespara vencer las fuerzas viscosas, con el resultado del movimiento del fluidocaracterizado como estable, capas bien distinguidas o laminares pueden nomezclarse juntas. En el desarrollo del flujo turbulento, en contraste, las fuerzasinerciales del fluido dominan, existe el desarrollo de corrientes remolino, y mezcladosconsiderables ocurren a lo largo de la línea de flujo. La clasificación del flujo comolaminar o turbulento está determinado por el número de Reynolds el cual está dadopor:

υQL

=Re 3.1)

donde:

Q : es la velocidad del flujo

L: longitud característica

V: viscosidad cinemática

En flujo tubular, L es tomado para el diámetro del flujo, mientras que el flujo en mediosporosos L es el diámetro medio de partícula.

Conceptualmente, Re representa la razón entre las fuerzas inerciales y viscosas y másaún se define el valor umbral (inicial) donde el flujo es laminar y dada la turbulencia seempieza a desarrollar. Para flujo tubular el valor inicial del número de Re es cercano a2000 y para medios porosos es aproximadamente de 61.

En sistemas de flujo tubular como, la velocidad axial sigue un perfil semilogarítmico,iniciando con velocidad cero para la superficie del reactor y logrando su velocidadmáxima en la línea central. En una región muy próxima a la pared del reactor lavelocidad del flujo es lo suficientemente lenta para mantener flujo laminar. Esta región

Sustrato película superficie de película seno deLíquido

entradaTransporte

mezclado

AdsorciónDesorción

salida

Fase líquida

sustratos, metabolitos,inertes, inhibidores

Fase sólidaCélulas, EPS

29

es referida como la velocidad laminar y juega un papel importante en el desarrollofriccionante.

Los sistemas de flujo en medio poroso como los reactores de lecho empacadousualmente presentan un número de Re dentro del rengo de flujo laminar. Si Re < 1entonces, la ley de Darcy, está dada por la ecuación 2 y es presuntamente válida ysirve como base para definir las relaciones hidrodinámicas para medios porosos.

=

dLdhKv 3.2)

donde:

v : descarga específica (L/t)

K : Conductividad hidráulica (L/t)

dLdh

:Gradiente piezométrico en la dirección del flujo

Las sendas a lo largo de las cuales se distribuye el flujo son tortuosas y altamentevariables en la sección transversal, si los diámetros de las partículas sonuniformes, entonces las velocidades de poro también lo son. Estas aunquedifíciles de medir, juegan un papel importante en la acumulación de biopelícula enmedios porosos. La resistencia friccionante, la cual es medida mediante latransferencia de momento del fluido a la superficie, puede ser cuantificadautilizando un factor adimensional de fricción definido por

=f ( ) ( )

)/()(

/detvolumenéticaenergíacin

erísticaáreacaractirofza 3.3)

La relación funcional de f bajo varias condiciones de flujo es presentada en la siguientetabla Tabla 3.1 Ecuaciones del factor de fricción

Ecuación Descripción

Re16

=fFlujo con un Re < 2100

25.0Re0791.0

=fSuperficie hidráulica lisa

2100< Re < 100,000

+−= 5.0Re

67.4log41fd

ef

s +2.28Superficie hidráulica rugosa

Re> 2100

75.1Re

1150 +−

=αf

Poro medio flujo laminar o

turbulento

30

Aunque, por ser considerada como una superficie lisa, por ser de material de vidrio,dicho coeficiente de fricción puede ser despreciable.

En flujo turbulento, la relación entre la rugosidad de la superficie y el espesor de lacapa límite laminar determina la relación de f

El espesor de la capa límite laminar de una superficie lisa v está definida como:

v = 5.0

Re12.14 −

fd

3.4)

donde d es el diámetro del conducto (reactor) (L)

Si las proyecciones de la rugosidad de la superficie no van más allá de la capalímite laminar, entonces la superficie del reactor es considerada hidráulicamentelisa y f depende solo de Re.

A continuación se mencionan 4 Parámetros importantes y sus significados, asícomo sus relaciones

Variable Significado

1. Características del mediofiltrante

a) Tamaño del granob) Distribución

granulométricac) Forma, densidad y

composición del granod) Carga del medio

Afecta la eficiencia de remoción departículas y el incremento en pérdida decarga.

2. Porosidad del lecho filtrante Determina la cantidad de sólidos quepueden almacenarse en el filtro.

3.Profundidad del lecho filtrante Afecta la pérdida de carga y la duraciónde la misma

.5. Tiempo de filtrado Determina el área requerida y la pérdida

de carga. Afecta la calidad del efluente.

Tabla 3.2 Interpretación simple de variables hidrodinámicas.

31

APÉNDICE 1

A.1 INFLUENCIA DE LA BIOPELÍCULA EN LA RESISTENCIA FRICCIONANTE

Un estudio comprensivo de los efectos hidrodinámicos en la acumulación debiopelícula en conductos cerrados y medios porosos es presentada por **Charaklis(1989). El cual examina la resistencia friccionante debida a la acumulación decultivos de biopelícula mezclada, superiores a 1000 m en espesor interno enconductos de 2 cm de diámetro. Está fue la primera referencia por definición enrelación causa-efecto. En los experimentos de Picologlou(1989), las variableshidrodinámicas incluyendo espesor de la capa límite v, y rugosidad es fueroncomputados a partir de valores del factor de fricción.

Se observó entonces, un incremento sustancial en la resistencia friccionante, asícomo un incremento en la acumulación de la biopelícula. La resistenciafriccionante durante los estados iniciales de acumulación de biopelícula incrementórápidamente después de alcanzar un valor crítico. Este espesor crítico fue halladomediante una aproximación igual al espesor de al capa límite computada, basadaen condiciones de superficie limpia.

La acumulación de biopelícula en medios porosos también incrementa laresistencia friccionante. Así como afecta también la hidrodinámica del flujo enmedios porosos, como sea, ese efecto es debido al decremento efectivo delespacio poroso. La biopelícula induce decrementos en el tamaño del poro,porosidad y permeabilidad.

Los procesos de transporte de masa influencian la tasa observada de variastransformaciones en sistemas de biopelícula. Por ejemplo, las películas formadasen los procesos de tratamientos de aguas residuales son generalmente creadaspara ser tasas limitantes para la difusión de oxígeno, o sustrato a través de labiopelícula. En ríos o corrientes donde las concentraciones de sustrato songeneralmente bajas, el transporte de masa en la fase acuosa sustancialmenteinfluencia la tasa de transformaciones y por lo tanto, usualmente controla la tasade actividad microbiana observada. El transporte de ambos compuestos solublesocurre por advección, difusión y dispersión mientras que en transformacionesquímicas o bioquímicas se afecta la concentración másica para algún punto a lolargo de la línea de flujo. Los efectos combinados de flujo másico y procesos detransformación determinan la variación en concentración con el tiempo y laposición de la línea de flujo.

Advección. La advección es el proceso mediante el cual las sustancias disueltas sontransportadas por el movimiento principal del fluido. El transporte advectivo es unproceso macroscópico, el cual define la tasa lineal de migración en la dirección delflujo para la cual la velocidad del fluido V, es medida en el flujo de conducto. En el

*Institute for biological and chemical Process Analysis. Montana State University. USA

32

transporte de materia orgánica disuelta en medios porosos, tales como los nutrientes,reactivos químicos y celdas microbianas puede ser necesario considerar la verdadera

distribución de velocidades con la finalidad de caracterizar adecuadamente la interfacede cada componente en los procesos microbianos.

Si la permeabilidad de la biopelícula es mayor que cero, el potencial existe parafluidos y sustancias disueltas a ser transportadas por advección a través de labiopelícula (especialmente a través de la superficie de la película) en la direccióndel decremento del gradiente piezométrico. La naturaleza exacta de esa línea deflujo advectivo puede depender de factores como el espesor de la biopelícula, yvariaciones locales en la composición de la misma, tales como la permeabilidad.

La experimentación fundamental es necesaria para cuantificar los procesosadvectivos en biopelículas, especialmente a partir del punto de vista comparativode la tasa de transporte advectivo y direccional con la tasa de transporte debida ala difusión molecular.

La advección puede también resultar importante para la biopelícula cuando seconsidera el movimiento de componentes particulares, tales como celdasmicrobianas y sedimentos. La biopelícula se expande porque cada especiemicrobiana se expande con base en su tasa de crecimiento y su fracción envolumen. Así como la tasa de crecimiento difiere con la tasa media de crecimientoen la biopelícula. La expansión volumétrica para cada especie microbiana esconsiderada como un mecanismo advectivo para transportar las celdasmicrobianas y otras partículas dentro de la biopelícula. El transporte apropiado, eneste caso, esta relacionado con la tasa de crecimiento volumétrico de especiesmicrobianas.

Difusión Molecular

La difusión molecular en agua es descrita por la ley de Fick de difusión, parasimplificar el transporte es únicamente en una dimensión:

−=

dzdsDJ s

sz A.1)

Donde, Jsz es el flujo de sustancia disuelta S, en la dirección z, y Ds es elcoeficiente de difusión para S. La difusión molecular y Browniana es el resultadode continuos choques de sustancia disuelta por moléculas de agua circundantes.

La difusión en la biopelícula es generalmente expresada como la difusión a travésde medios porosos donde no ocurre advección. La difusión molecular a través dela biopelícula puede ser expresada por la ecuación 2.3, la que proveyendo uncoeficiente de difusión apropiado para la película base puede ser calculado. En lamayoría de los casos es necesario considerar difusión simultánea y reacción en labiopelícula.

Dispersión Hidrodinámica

33

Es otro proceso físico que involucra flujo másico; resulta a partir del mezcladomecánico y de la difusión molecular. La dispersión es el resultado total de tresprocesos: mezclado debido a la distribución de velocidad del fluido dentro deespacios porosos individuales, mezclado resultante de velocidades reales de poroentre canales de poro de diferentes tamaños y superficies rugosas, y mezcladopor convergencia y divergencia de canales porosos. Estos procesos incrementanla diseminación de sustancia disuelta, en ambas direcciones: longitudinal ytransversal.

Interacciones

Existe un alto nivel de interacción entre los procesos que controlan la acumulaciónde biopelícula, transporte de materia orgánica disuelta, e hidrodinámica ensistemas de biopelícula.

Caso 1 flujo en conductos.

Considérese que el régimen de flujo es estacionario, turbulento y que ladistribución de velocidad radial así como las características de la capa límitelaminar están bien establecidas. La superficie del conducto se encuentrainicialmente limpia y es hidráulicamente rugosa. Las células microbianastransportadas a través de la capa límite laminar adsorben para el sustrato y si esrequerido, los nutrientes están disponibles, el crecimiento celular continua.Aunque en este trabajo no se tuvo la experimentación necesaria, diversos estudiosy experimentos de varios investigadores han demostrado que, bajo estascircunstancias la resistencia friccionante disminuye durante los estados iniciales deacumulación de biopelícula. Esta disminución es igualmente causada por laacumulación de biopelícula dentro de los elementos de la superficie rugosa, con locual se causa una reducción en la altura efectiva de las proyecciones rugosas. Decualquier modo, como la biopelícula se desmolda sobre toda la superficie delconducto y la medida del espesor excede el de la capa límite, tanto la rugosidad desuperficie como el factor de fricción incrementa sustancialmente. El incremento dela rugosidad de la superficie debido a la acumulación de la biopelícula resulta enun incremento de la tasa de transporte de masa próxima a la interfase biopelícula-fluido. De acuerdo con Bouwer (1987) el incremento de la rugosidad de lasuperficie debido a la biopelícula puede influenciar el transporte de partículaspróximas a la superficie por: a) un incremento advectivo de transporte de masapróximo a la superficie o b) proveyendo un resguardo de fuerzas cortantes. c) enalgunos casos se ha observado que la superficie de la biopelícula rugosaincrementa la difusión de corriente(remolino) y la tasa de transporte de masadentro de biopelículas heterotróficas. También, como los elementos de lasuperficie de la biopelícula se extienden exteriormente a través de la capa límite,estos están sujetos al incremento de transporte advectivo de sustancias disueltas ynutrientes; tanto como un incremento del esfuerzo cortante, y de aquí unaseparación. Estos efectos pueden ser probablemente mayores si la biopelículatiene una superficie significante. Por lo tanto, en la vecindad de la capa límite,existe claramente una relación de interacción entre la hidrodinámica, (es decirrugosidad de superficie, factor de fricción, espesor de la capa límite y esfuerzocortante), transporte de sustancia disuelta ( difusión y advección de nutrientes yceldas suspendidas) y procesos de acumulación de biopelícula, es decircrecimiento de los microorganismos.

34

Caso 2 Flujo en medio poroso

Un escenario similar es posible para el caso de acumulación sustancial debiopelícula a lo largo de la línea media de flujo poroso. Asumiendo que no haymicroorganismos inicialmente, la distribución de velocidad de poro intersticial paraestado estacionario, puede ser establecido de acuerdo con la ecuación 3.1,basado en la permeabilidad inicial en un medio poroso. Así es como existe unproceso de adsorción en donde se consume el sustrato y los microorganismosempiezan a crecer. Algunos otros desorben, si las colonias crecen juntas y enforma continua, la longitud de la línea de difusión crece ocasionando unadisminución en las concentraciones de los nutrientes en la película. Si el tamañode poro es lo suficientemente pequeño, entonces la bioacumulación se da por unproceso filtración. La presencia de irregularidades significativas en la biopelícula,podría incrementar el potencial de filtración.

Si se acumula la suficiente biomasa como para reducir el espacio de poro efectivo,la correspondiente disminución en medio poroso, permeabilidad y velocidad deporo podrían aparecer. El factor de fricción para el medio plástico-biopelículapuede incrementar. El descenso de la velocidad de poro podría reducir eltransporte advectivo y dispersivo, disminuyendo las concentraciones de losnutrientes para la interfase biopelícula-agua lo que subsecuentemente podríareducir la tasa de crecimiento. Así como disminuiría el esfuerzo cortante, y por lotanto la tasa de separación. Ambas, tasa de crecimiento y separación puedencontinuar cambiando bajo nuevas condiciones de equilibrio.

A.2 ESTIMACIÓN DEL ESPESOR DE LA BIOPELÍCULA EN REACTORESBIOLÓGICOS DE LECHO FLUIDIZADO

El método emplea la ley de *Richardson y Zaki para la expansión de lechos fluidizadosda un estimado del espesor de la biopelícula mediante la interpretación de una rutinade minimización no lineal usando datos la altura de lechos contra la velocidadsuperficial del fluido. El método fue probado con datos experimentales en expansiónde lechos en reactores biológicos de lecho fluidizado.

La estimación del espesor de la biopelícula que crece alrededor de las partículas desoporte es vital para el apropiado diseño y control de los reactores biológicos de lechofluidizado, dado que uno u otro reactor de concentración de biomasa, la hidrodinámicadel mismo y la transferencia de masa del sustrato en la biopelícula están fuertementeinfluenciadas por esta característica cuantitativa.

En reactores biológicos de lecho fluidizado, el volumen del sólido (Ve), el cual es lasuma del volumen de soporte limpio (Vc) y el volumen de la biopelícula (Vb), dependedel crecimiento de la biomasa. El espesor de la biopelícula puede ser fácilmentedeterminada una vez que el volumen del sólido ha sido estimado. De hecho tratando lacubierta de biomasa del sólido y a la partícula limpia como esféricas, el tamañoequivalente de la partícula (de) esta dado por:

xe

e NVd

=

π6

A.2.1)

35

N es el número de partículas en el lecho:

cc

c

dMN

ρπ 3

6= A.2.2)

considerando que dc el es diámetro del soporte.

El espesor puede obtenerse por medio de la ecn:

2ce dd −

=δ A.3.3)

La ley de Richardson y Zaki fue asumida para describir las características de laexpansión para lechos biológicos fluidizados. Esta ley establece una relación encoordenadas logarítmicas entre el overall bed voidage y la velocidad superficial delfluido

−=

n

te uu

VA

h

/1

11 A.3.4)

donde:Ve: volumen total del sólido fluidizadou: velocidad superficial del fluidoA :es al Área de la sección transversal yh :la altura del lecho

Los parámetros Ve, ut y n pueden ser determinados mediante una rutina deminimización de error utilizando los datos experimentales de la altura del lecho, h,como la velocidad superficial, u, es variada.

Una vez que el volumen del sólido ha sido determinado, el espesor de la biopelículapuede ser calculada mediante las ecuaciones ya mencionadas.

Por lo tanto, el presente método permite la determinación del espesor de la biopelículaen reactores biológicos de lecho fluidizado y sólo requiere de datos de la expansióndel lecho.

36

APÉNDICE 2

RESULTADOS EXPERIMENTALES

TABLA A2.1

Pruebas experimentales para obtener el flujo másico óptimo

τ (seg) Q (cm3/ seg) VR1 rpm Expansión del lecho

757.2 21 89064.15 11.36 16.3937.2 16.97 71.972.32 9.29 81117.2 14.23 60351.56 7.87 6.91297.2 12.26 51996.5 6.86 3.31477.2 10.77 45677.19 6.09 2.91657.2 9.6 40715.04 5.49 2.71837.2 8.66 36728.36 5.00 2.2

Con base en que una velocidad de 9.29 rpm, proporciona la máxima expansióndel lecho, el flujo másico óptimo es de igual manera 16.97 cm3/seg.

Volumen del reactor

Sabemos que

hrrVR2π= Ec. A.2.1)

donde:

VR = representa el volumen del reactor en litros

Por lo que

ltcmcmcomVR 9.15313.15904)90()5.7( 32 === π

y por otro lado

215.4241)90)(05.7(22 cmcmcmrhA === ππ

donde:

r y h representan el radio y la altura del reactor, respectivamente.

37

Tiempo de residencia

Por definición:

QVR=τ Ec. A.2.2)

donde

VR es el volumen calculado anteriormente y corresponde al volumen del reactor.

Q es el flujo volumétrico en cm3/min. Determinado experimentalmente, por lo quese realizaron mediciones, variando el tiempo obteniendo los siguientes resultados.

Por lo que se concluyó que la última medición que correspondía a un flujo de1018.2 cm3/min era el óptimo para la mayor expansión del lecho y por lo tanto, unacapacidad mayor del funcionamiento del reactor.

segmxQ /107.1 35−= para un diámetro de esferas de 4mm lo que corresponde enpeso a 250 g de polietileno molido.

Tiempo (min) Q (cm3/min)

30 530.14460 265.07290 176.714120 132.536150 100.029180 88.357210 75.735240 66.268270 58.905300 53.014330 48.195360 44.17910 1590.435 3180.86

12.62 126015.62 1018.2

38

Densidad del Polietileno

vm

=ρ

donde m y v son la masa y el volumen respectivamente.

Por lo que la ec. A.1.3 resulta ser

ρ = 1.06 x 10 2 g/cm3

Obtención de la DQO

Reactivos empleadas (preparación)

1.Solución 0.25 N de K2Cr2O7. Se disolvieron 12.259 de dicromato, calidad patrónprimario y seco a 103°C por un tiempo de 2 horas en un litro de agua destilada. Seagregaron 0.12 gr de ácido sulfúrico.

2. Ácido sulfúrico concentrado

Disolver 22 gr de Ag2SO4 en 4082.3 gr de H2SO4

3. Solución titulante de Sulfato Ferroso Amoniacal

Disolver 39 gr De Fe(NH4)2SO4 6H2O en agua destilada. Agregar 20 ml de H2SO4concentrado, enfriar y diluir en un litro.

4. Indicador Fenantrolina; sulfato ferroso 0.25 M

De acuerdo con la Tabla 1.2 los resultados experimentales de la medición de laabsorbancia.

mlmuestraNxbalmgDQO

610)()/( −= =

2)8000(0507.0)48.3( −

Donde

a: Fe(NH4) SO4 usado para testigo

b: ml de Fe(NH4)2(SO4) usado para la muestra

N: ormalidad de Fe(NH4)2(SO4)2

Meq: equivalente de l oxígeno.

39

Por lo tanto:

DQO = -40.56 mg/lt.

Dato que de acuerdo a las normas oficiales establecidas y nombradas a su vez enel capítulo primero, cumple perfectamente los requerimientos; ya que el agua enrealidad no se encuentra muy sucia.

40

APÉNDICE 3

VARIABLES HIDRODINAMICAS

Suponiendo un flujo volumétrico estable (o un gasto) de Q= 0.017 l/seg; de unaprueba de laboratorio, se procede a calcular el tiempo de retención.

Recurriendo a la ecuación A.2.2)

Tenemos que

min58.1529.935017.0

9.15==== seg

segll

Qv

τ

lo que significa que se renueva el flujo del reactor cada 16 minutosaproximadamente.

Número de Reynolds

Por definición

υ))((Re Lv

=

donde:

L: longitud característica

ν: viscosidad cinemática

v: velocidad del flujo

para un diámetro de 4 mm;= 0.004 m

suponiendo una temperatura estándar de 20°C. De la figura 1.8 de Sotelo Ávila *se calculó la viscosidad cinemática.

Por lo que

V =1.0 x10 6 m2/seg

ν = 71.972 m/seg

por lo tanto

Re= 2.87 x 10 4

de lo que podemos concluir de acuerdo a la tabla 3.1 se tiene un flujo laminar.

41

Porosidad del lecho expandido

22.0

=

s

be V

Ve

donde

Vb : Velocidad del agua m/seg

Vs: velocidad de asentamiento de las partículas en el medio

42

GL0SARIOÁcidos.Sustancias que pueden liberar o entregar protones o ganar iones hidroxilos (OH -).

Ácidos débiles.Son aquellos que les cuestan más liberar los protones, por lo tanto les es más difícilformar iones.

Ácidos fuertes.Son aquellos que liberan fácilmente los protones con lo cual se ionizan totalmente.

Agente Oxidante.

Especie que produce oxidación, lo que quiere decir que hace que otra especie pierdaelectrones.

Agente reductor.Especie que libera electrones, con lo cual hace posible que la otra especie que losgane reduce su estado de oxidación.

Aguas residuales

Las aguas de composición variada provenientes de las descargas de usosmunicipales, industriales, comerciales, de servicios, agrícolas, pecuarios, domésticos,incluyendo fraccionamientos y en general de cualquier otro uso, así como la mezcla deellas.

Aguas residuales tratadas.

Son aquellas que mediante procesos individuales o combinados de tipo físicos,químicos, biológicos u otros, se han adecuado para hacerlas aptas para su reuso enservicios al público

Coloide.Sólidos finamente divididos que no sedimentan pero que pueden eliminarse porcoagulación, acción bioquímica, o filtración por membrana; constituyen un puntointermedio entre una verdadera solución y una suspensión.

Coliforme.Bacterias gram negativas de forma alargada capaces de fermentar lactosa conproducción de gas a la temperatura de 35° o 37º C (Coliformes totales). Aquellas quetienen las mismas propiedades a la temperatura de 44° o 44.5º C se denominanColiformes fecales.

Contaminantes básicos.

Son aquellos compuestos o parámetros que pueden ser removidos o estabilizadosmediante procesos convencionales. En lo que corresponde a la Norma OficialMexicana establecida en el presente trabajo, sólo se consideran los siguientes: grasasy aceites, materia flotante, demanda bioquímica de oxígeno5 y sólidos suspendidostotales.

Demanda bioquímica de oxígeno. DBO

43

Contaminación del agua que representa el contenido en el agua de sustanciasbioquímicamente degradables.1.- Medida de la cantidad de oxígeno utilizada en laoxidación bioquímica de la materia orgánica en un tiempo dado, a una temperaturaespecífica y bajo determinadas condiciones.

Demanda química de oxígeno. DQO

Medida cuantitativa de la cantidad de oxígeno requerida para oxidar químicamente lamateria carbonosa (orgánica) presente en el agua residual utilizando como oxidantesel dicromato inorgánico o sales de permanganato en un ensayo de dos horas.

Densidad.

Relación entre la masa de cualquier volumen de una sustancia y la masa de unvolumen igual de agua a 4°C. Masa de un cuerpo por unidad de volumen. Relaciónentre la masa de un cuerpo y su volumen

Digestor.

Estanque u otro recipiente destinado al almacenamiento y a la descomposiciónaeróbica o anaeróbica de la materia orgánica presente en el lodo.

Digestión.

Proceso microbiológico que convierte el lodo, orgánicamente complejo, en metano,dióxido de carbono y un material inofensivo similar al humus. Las reacciones seproducen en un tanque cerrado o digestor

Digestión Aerobia.

La digestión aeróbica es un método alternativo de tratar los lodos orgánicosproducidos en el curso de las diversas operaciones de tratamiento, Los digestoresaeróbicos se pueden emplear para el tratamiento de: (1) únicamente lodos activados ode filtros percoladores; (2) mezclas de lodos activos

Digestión Anaeróbia.

La digestión anaeróbica es uno de los procesos más antiguos empleados en laestabilización de lodos. En este proceso se produce la descomposición de la materiaorgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno molecular.

44

Digestión Aerobia Termófila.

La digestión aerobia termófila representa un refinamiento adicional del proceso dedigestión aerobia. Este proceso puede permitir conseguir altos rendimientos deeliminación de la fracción biodegradable (superiores al 80%) en tiempos de detencióncortos (3 a 4 días) mediante la acción de bacterias termófilas, es decir que viven atemperaturas más elevadas entre 25º y 50º C superiores a la temperatura ambiente.

Filtro precolador.

Proceso de tratamiento aerobio de cultivo fijo. Se emplea normalmente para eliminarla materia orgánica que se encuentra en el agua residual, y para llevar a cabo elproceso de nitrificación. El primer filtro precolador se puso en funcionamiento enInglaterra en 1893.

Lavado.

Eliminación de sustancias de la atmósfera, como polvo, aerosoles y gases, debido aprecipitación líquida o sólida. Lavado de gases: Remoción de sólidos en suspensión yde gases indeseables de emisiones gaseosas.

Lecho.

Estanques o depósitos rellenos de material de gran superficie específica la cual sirvede soporte a los microorganismos depuradores. Estos microorganismos forman sobreel material de relleno (medio) una película de espesor variable.

Lecho filtrante.

Tipo de revestimiento que consiste en capas superpuestas de un medio filtrante cuyaspartículas aumentan de tamaño gradualmente desde el fondo hacia arriba.

Límite máximo permisible.

Valor o rango asignado a un parámetro, que no debe ser excedido por el responsabledel suministro de agua residual tratada.

Lodos.

Residuos semi-sólidos generados en las fosas sépticas de viviendas, centroscomerciales, oficinas o industrias y los producidos en las PTAR municipales,industriales y comerciales de aguas, así como en las unidades de control deemanaciones atmosféricas.

Lodos Activados.

El proceso de tratamiento de las aguas residuales mediante la tecnología de lodosactivados implica la aireación del afluente tratado en forma preliminar (rejas, tamices,tratamiento primario) mezclado con un pequeño volumen de lodos activados previo ala aireación.

Materia Orgánica.

45

Comprende a las moléculas naturales y artificiales, que contienen carbón e hidrógeno.Toda la materia viva presente en el agua, es de moléculas orgánicas. Contenido dedesechos con carbono de materia vegetal o animal, originado por fuentes domésticaso industriales.

Materia Inorgánica.

Compuestos de tipo mineral que, generalmente, no son volátiles, ni combustibles nibiodegradables. ,, La mayoría de los compuestos o reacciones de tipo inorgánico sonde naturaleza iónica y, por consiguiente, se caracterizan por reacciones rápidas

Materia Inerte.

Vidrio (envases y plano), papel y cartón, tejidos (lana, trapos y ropa), metales (férricosy no férricos), plásticos, maderas, gomas, cueros, loza y cerámica, tierras, escorias,cenizas y otros. A pesar de que pueden fermentar el papel y cartón, así como lamadera.

Nitratos.

Los nitratos pueden afectar más fácilmente al agua de los pozos si éstos son pocoprofundos, no están bien construidos o si no tienen una ubicación adecuada. Talescondiciones podrían permitir la entrada de aguas contaminadas provenientes de tierrasagrícolas, corrales o sistemas sépticos.

Nitritos.

Sal resultante de la combinación del ácido nitroso con una base. Radical NO2, formade nitrógeno acabado en el proceso de nitrificación del amonio por la bacteriaNitrosomonas. Los nitritos se combinan en los alimentos o en el organismo humanocon aminas y amidas naturales.

Nutrientes.

Cualquier sustancia que es asimilada por los organismos y promueve el crecimiento;que sirven de alimento. Generalmente el término se aplica al nitrógeno y al fósforo enlas aguas residuales, pero también se utiliza para hacer referencia a otros elementosesenciales y traza.

Organismo Procariota.

Procariota es una célula sin núcleo celular diferenciado, es decir, su ADN no estáconfinado en el interior de un núcleo, sino libremente en el citoplasma. Las célulascon núcleo diferenciado se llaman eucariotas. Procarionte es un organismo formadopor células procariotas.

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Patógeno

Organismos patógenos, o que producen enfermedades. Microorganismos que puedencausar enfermedades en otros organismos, ya sea en humanos, animales y plantas.

Porosidad

Relación entre el volumen de intersticios en una muestra dada de un medio poroso,por ejemplo suelo, y el volumen bruto del medio poroso, incluidos los huecos.Condición, cualidad o estado del ser poroso; en la ciencia del suelo es la relación ( en%) entre el volumen de los intersticios

Protoplasma

Materia viscosa fundamental contenida en las células de todos los seres vivos. Lamateria viva propiamente dicha, englobando el citoplasma y el núcleo. El núcleo estáformado por nucleoplasma, por cromosomas residuales y por nucleolos, y estárecubierto por una membrana que lo separa del citoplasma. El citoplasma está limitadopor una membrana citoplasmática.

Sólidos

En las aguas residuales se encuentran todo tipo de sólidos, distinguiéndose entre ellosorgánicos e inorgánicos. Los sólidos comúnmente se clasifican en suspendidos,disueltos y totales. Todas la materia, excepto el agua contenida en los materialeslíquidos, es considerada como materia sólida.

Tiempo de retención.

Tiempo teórico requerido para que se desplace el contenido de un estanque o unidada una determinada velocidad de descarga (volumen dividido por caudal).

Toxicidad

Efecto adverso sobre los seres vivos que produce una sustancia biológicamenteactiva a una concentración dada.,, Capacidad de ciertas sustancias de causarintoxicación, muerte, deterioro o lesiones graves en la salud de seres vivos, al seringeridos, inhalados o puestos en contacto con su piel.

Turbiedad.

Condición del agua o de las aguas residuales causada por la presencia de materia ensuspensión que produce la dispersión y absorción de la luz. Cualquier tipo de sólidosen suspensión que empañen la transparencia del agua y que puedan eliminarse porfiltración.

Turbidez

Aspecto turbio o lechoso del agua causado por las partículas de limo o arcilla ensuspensión. Condición de un líquido debida a los materiales finos, visibles, ensuspensión, que impide el paso de la luz a través del líquido. ,

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Tratamiento.

Proceso de transformación, destrucción o destoxificación de los residuos/desechosprovenientes de diversos procesos de separación/concentración con el objeto deconvertirlos en sustancias inocuas o menos tóxicas previo a su descarga en cuerposreceptores. Proceso físico, químico o biológico.

Tratamiento primario.

Comúnmente conocido como el primer paso o etapa en el tratamiento de aguasresiduales: tratamiento primario, secundario y terciario. Proceso o conjunto deprocesos para separar las partículas en suspensión no retenidas en el pretratamiento.

Tratamiento secundario

Análisis, después del tratamiento primario de una única serie o de una combinaciónde series de datos. Nivel de tratamiento que produce efluentes secundarios. Algunasveces el término se emplea como equivalente de tratamiento biológico de aguasresiduales, particularmente del proceso de lodos activados.

Tratamiento terciario.

Tratamiento de las aguas residuales posterior a la etapa secundaria o biológica queconsiste en la remoción de nutrientes, tal como el fósforo y el nitrógeno, y de un altoporcentaje de sólidos en suspensión. ,, A menudo se usa el término tratamientoterciario como sinónimo de tratamiento avanzado.

Tratamiento anaerobio.

El tratamiento anaerobio es un proceso biológico donde microorganismos conviertenlos compuestos orgánicos a metano, dióxido de carbono y materia celular,principalmente.

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