Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

MODELADO DE LODOS ACTIVADOS EN ESTADO ESTACIONARIO

TUTOR ACADMICO: Prof. Rosalba Sciamanna

TUTOR INDUSTRIAL: Msc. Joaqun Henrquez

Presentado ante la Ilustre

Universidad Central de

Venezuela para optar al Ttulo

de Ingeniero Qumico.

Por el Br. Salazar A., Daniel E.

Caracas, Abril de 2001

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario Dedicatoria

DEDICATORIA

A Dios Todopoderoso,

Santsima Trinidad,

mi Seor, Padre y Amigo,

sin quien nada puedo.

Si el Seor no construye la casa,

en vano se fatigan los obreros.

Si el Seor no protege la ciudad,

en vano monta guardia el centinela

(Sal. 127, 1).

A Mara, la ms hermosa flor

del jardn celestial.

A mi familia y a todos los que amo.

A los que espero amar ms.

iii

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS

Son muchos los que han colaborado directa o indirectamente para que el

esfuerzo puesto en este trabajo diera buen fruto.

En primer lugar agradezco a mis tutores, Rosalba Sciamanna y Joaqun

Henrquez, por proponerme este trabajo, por compartir conmigo su experiencia y

recursos, por su dedicacin y confiar en mi. Es mucho lo que he aprendido en el

tiempo que pasamos juntos.

En segundo lugar, y de modo especial, agradezco a mis profesores Mara

Rincones y Eudoro Lpez, y junto a ellos al equipo de PETA, por haberme

enseado y ayudado en todo lo que pudieron. Sin esa mano amiga el presente

trabajo no hubiese sido posible, o al menos hubiese sido mucho ms arduo.

En tercer lugar agradezco a todos mis compaeros del DIOC, quienes

siempre me dieron su apoyo moral, compartieron conmigo sus sugerencias y

soportaron con paciencia mis cambios de nimo.

Por ltimo, y lleno de cario, agradezco a mi madre Gloria, a Gustavo y a

Juliana por acompaarme, apoyarme y ayudarme sin reservas desde el comienzo

hasta el final de este trabajo.

Dios los bendiga a todos.

iv

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario Sumario

Salazar A., Daniel E.

MODELADO DE LODOS ACTIVADOS EN ESTADO ESTACIONARIO

Tutor Acadmico: Prof. Rosalba Sciamanna. Tutor Industrial: Msc. Joaqun Henrquez. Tesis. Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniera.

Escuela de Ingeniera Qumica. Ao 2000, 163 p.

Palabras Claves: Aguas Residuales, Lodos Activados, Simulacin, Estado Estacionario.

Resumen. El inters, cada vez ms creciente, en la conservacin del ambiente, ha hecho de las plantas de tratamiento de aguas residuales una prctica comn y

necesaria para mantener el equilibrio de nuestros cuerpos de agua y del planeta

en general. Entre una de las opciones ms importantes y utilizadas para reducir la

concentracin de contaminantes orgnicos en el agua residual, se encuentra el

tratamiento con lodos activados. A pesar de ellos, los errores en el diseo y la

operacin de estos sistemas es una de las causas ms frecuentes de fallas en el

desempeo de las mismas.

Considerando lo anterior, se plante como objetivo principal el desarrollo de

un programa para simular el comportamiento de diversos sistemas de lodos

activados. Para ello, se consideraron los tipos de sistemas existentes en el pas,

los modelos matemticos ms importantes utilizados internacionalmente, la

informacin disponible o deducible a escala nacional relacionada con los modelos

mencionados y el resultado de experiencias nacionales o internacionales,

relacionadas con el diseo y operacin de sistemas de lodos activados, que

permitiese corroborar los resultados obtenidos.

Con las consideraciones anteriores se desarroll un programa bajo

ambiente Windows llamado simLodos, adaptado al uso comn en materia de computacin, tanto en el desarrollo interno de los algoritmos de clculo como en la

interfaz del usuario. Dicho programa est acompaado de un manual del usuario.

En su ejecucin, el programa comprende tanto el diseo como la operacin de las

v

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario Sumario

principales configuraciones de plantas con lodos activados, a saber: sistema

convencional, sistema de nitrificacin, de desnitrificacin y sistema de

predesnitrifiacin.

La evaluacin de los resultados de diseo, se realiz comparando ejemplos

de diseo presentes en la bibliografa especializada con los resultados del

programa. Tambin se emplearon datos reales del diseo de una planta de

nitrificacin. En todos los casos se obtuvieron resultados apreciablemente buenos,

con errores porcentuales ubicados en su mayora debajo del 1%.

Para el abordaje de la operacin, fue necesaria la adaptacin de algunas

ecuaciones de modelado, para ajustarlas a la informacin disponible en una

planta. Como no se encontraron expresiones predictivas que describieran las

concentraciones de contaminantes en funcin del oxgeno suministrado, se

propuso una funcin a trozos que permite determinar con facilidad si el suministro

de oxgeno asegura una adecuada operacin del sistema. A partir de lo anterior,

se realizaron pruebas para el sistema convencional y el sistema de nitrificacin,

empleando datos reales de operacin provenientes de varias plantas de

tratamiento internacionales y una nacional. Los resultados obtenidos en estas

pruebas muestran que el programa desarrollado es una herramienta til para

predecir el efecto de las variables de operacin en el desempeo de la planta.

Cabe destacar que la funcin a trozos propuesta mostr ser de utilidad en las

diferentes pruebas realizadas donde se simulan plantas con reactores aerobios.

Los sistemas de desnitrificacin y predesnitrificacin no pudieron ser

corroborados con datos reales, por no disponer de informacin sobre la operacin

de los mismos. En estos casos se analiz el comportamiento de las variables

mostradas por el programa, comparndola con lo sealado por la teora,

encontrndose correspondencia entre ambos.

vi

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario ndice General

NDICE GENERAL

Pgina

NDICE DE TABLAS xi

NDICE DE FIGURAS xv

LISTA DE SMBOLOS xvi

I. INTRODUCCIN 01

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 04

III. OBJETIVOS 07

IV. REVISIN BIBLIOGRFICA 09

IV.1. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 10

IV.1.1. Participacin del Agua en el Ambiente y necesidad

de Tratamiento 10

IV.1.2. Tpicos Bsicos del Tratamiento de Aguas Residuales 14

IV.1.2.1. Origen de las Aguas Residuales Clasificacin 15

IV.1.2.2. Composicin de las Aguas Residuales 15

IV.1.2.2.1. Caracterizacin Fsica 15

IV.1.2.2.2. Caracterizacin Qumica 18

IV.1.2.3. Tratamiento de las Aguas Residuales 21

IV.2. SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS 22

IV.2.1. Seccin de Tratamiento Biolgico 22

IV.2.2. Proceso de Lodos Activados 23

IV.2.3. Metabolismo Microbiano Clasificacin 25

vii


IV.3. MODELADO DE LODOS ACTIVADOS EN LA REMOCIN DE

MATERIA ORGNICA 29

IV.3.1. Modelado para un Reactor Mezcla Completa con Reciclo

para la Reduccin de Materia Carboncea 32

IV.3.1.1. Sustrato en el Efluente 33

IV.3.1.2. Cantidad de Biomasa en el Reactor 36

IV.3.1.3. Produccin de Lodo 36

IV.3.1.4. Requerimientos de Oxgeno 37

IV.3.1.5. Relacin de Reciclo 38

IV.3.1.6. Relacin entre las Variables Involucradas en el

Proceso de Lodos Activados 38

IV.3.1.7. Remocin de Nutrientes 43

IV.3.1.8. Suministro de Oxgeno 44

IV.3.1.9. Tanques de Sedimentacin 49

IV.3.2. Sistemas Diversos de Tratamiento con Lodos Activados 51

IV.4. MODELADO DE LA REMOCIN DE NITRGENO EN LOS LODOS

ACTIVADOS 53

IV.4.1. Fundamentos de la Nitrificacin con Lodos Activados 54

IV.4.2. Cintica y Modelado de la Nitrificacin 56

IV.4.2.1. Relacin entre la Biomasa Hetertrofa y la Auttrofa 59

IV.4.2.2. Efecto de la Temperatura 60

IV.4.2.3. Requerimiento de Oxgeno 61

IV.4.2.4. Requerimiento de Alcalinidad 61

viii


IV.4.3. Fundamentos de la Desnitrificacin 62

IV.4.4. Cintica y Modelado de la Desnitrificacin 62

IV.4.4.1. Relacin entre el Sustrato Carbonceo y

la Remocin de Nitritos y Nitratos 65

IV.4.5. Sistemas de Nitrificacin-Denitrificacin 67

IV.4.6. Modelado de un Sistema de Predenitrificacin (MLE) 68

V. METODOLOGA 73

V.1. SELECCIN DE LOS SISTEMAS DE LODOS ACTIVADOS 74

V.2. SELECCIN DE LOS MODELOS DE CLCULO 76

V.3. CONSTRUCCIN DE LA UNIDAD DE CLCULOS 77

V.4. VALIDACIN DE LOS RESULTADOS 77

V.5. CONSTRUCCIN DE LA INTERFAZ DEL USUARIO 77

V.6. EVALUACIN POR EXPERTOS 79

V.7. CREACIN DEL MANUAL DEL USUARIO 80

VI. RESULTADOS Y DISCUSIN 81

VI.1. DESCRIPCIN DEL PROGRAMA 82

VI.1.1. Modos de Operacin 82

VI.1.2. Operacin de simLodos 84

VI.2. VALIDACIN DEL PROGRAMA 89

VI.2.1. Sistema Convencional 90

VI.2.1.1. Diseo en el Sistema Convencional 90

VI.2.1.2. Operacin en el Sistema Convencional 94

VI.2.2. Sistema de Nitrificacin 107

ix


VI.2.2.1. Diseo en el Sistema de Nitrificacin 107

VI.2.2.2. Operacin en el Sistema de Nitrificacin 108

VI.2.3. Sistema de Desnitrificacin 111

VI.2.3.1. Diseo Y Operacin de Sistemas de Desnitrificacin 111

VI.2.4. Sistema de Predesnitrificacin 113

VI.3. OBSERVACIONES GENERALES SOBRE LOS RESULTADOS

OBTENIDOS 115

VI.6. CONSIDERACIONES SOBRE EL USO DEL PROGRAMA

SIMLODOS 114

VI.4. MANUAL DEL USUARIO 119

VI. CONCLUSIONES 121

VII. RECOMENDACIONES 123

VIII. BIBLIOGRAFA 125

IX. APNDICE A 128

X. ANEXO 133

x

gustavos

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario ndice de Tablas

NDICE DE TABLAS

Pgina

Tabla 1. Problemas Asociados con las Plantas de Tratamiento 06

Tabla 2. Caracterizacin qumica, fsica y biolgica del agua

residual y sus fuentes 16

Tabla 3. Composicin tpica del agua residual no tratada 19

Tabla 4. Microorganismos presentes en los lodos activados 24

Tabla 5. Clasificacin de los microorganismos segn su metabolismo 26

Tabla 6. Ecuaciones cinticas del ASM3 30

Tabla 7. Matriz estequiomtrica del ASM3 31

Tabla 8. Variacin de los parmetros de un sistema de lodos

activados en funcin del tiempo de residencia celular 39

Tabla 9. Datos tpicos de diseo y funcionamiento de un sistema

de lodos activados 40

Tabla 10. Variacin del sustrato en el efluente para una biomasa fija 43

Tabla 11. Factor de Choque en el requerimiento de oxgeno 45

Tabla 12. Valores de los parmetros relacionados con aeracin 48

Tabla 13. Informacin tpica sobre la capacidad de transferencia

de oxgeno de varios dispositivos de aeracin 50

Tabla 14. Relacin entre el IVL y la calidad de sedimentacin 51

Tabla 15. Criterios tpicos de diseo para el tratamiento de

xi


descargas domsticas con lodos activados 52

Tabla 16. Parmetros de diseo de procesos de lodos activados 53

Tabla 17. Caractersticas operacionales de los procesos de

lodos activados 53

Tabla 18. Coeficientes de productividad observados en la nitrificacin 55

Tabla 19. Coeficientes de utilizacin de oxgeno, produccin de

biomasa y disminucin de la alcalinidad empleados

frecuentemente 56

Tabla 20. Relacin entre la fraccin de organismos nitrificadores y la

razn DBO5/TKN 59

Tabla 21. Variacin de los coeficientes del proceso con la temperatura 60

Tabla 22. Consideraciones para el control de las reacciones

del nitrgeno 66

Tabla 23. Resultados comparativos para el diseo segn la

composicin del efluente sealada por el usuario 91

Tabla 24. Resultados comparativos de diseo segn la cintica

sealada por el usuario 92

Tabla 25. Resultados comparativos sobre la variacin de dos

parmetros en funcin del tiempo de residencia celular 93

Tabla 26. Resultados comparativos para el modo Operacin 97

Tabla 27. Desempeo de un Sistema Convencional con diferentes

desechos industriales 98

Tabla 28. Comparacin de los resultados arrojados por el programa

xii


para un Sistema Convencional con diferentes desechos

industriales 99

Tabla 29. resultados comparativos de un sistema convencional

procesando efluente de una industria de aceites vegetales 101

Tabla 30. Datos de operacin de la Empresa A 102

Tabla 31. Relacin de reciclo y tiempo de residencia celular para

el sistema de la Empresa A 103

Tabla 32. Resultados comparativos de la simulacin de la

operacin del sistema de la Empresa A 104

Tabla 33. Comparacin entre los valores derivados de Xr frente

al VLS30 suministrado por la Empresa A 105

Tabla 34. Coeficientes de productividad calculados para el sistema

de la de la Empresa A 105

Tabla 35. Resultados comparativos del diseo de un sistema de

nitrificacin 107

Tabla 36. Informacin sobre el diseo y operacin de la planta de

tratamiento Hookers Point, ubicada en Tampa, Florida 108

Tabla 37. Resultados comparativos del diseo para el sistema de

la planta de tratamiento Hookers Point 109

Tabla 38. Resultados comparativos para la simulacin de la

operacin en Hookers Point 110

Tabla 39. Resultados comparativos del diseo de un sistema

de desnitrificacin 112

xiii


Tabla 40. Resultados comparativos del efluente para un sistema

de desnitrificacin 112

Tabla 41. Resultados comparativos para el diseo de un sistema

de predesnitrificacin 114

Tabla 42. Comparacin del comportamiento de las variables

involucradas en un sistema de predesnitrificacin en

funcin del tiempo de residencia celular 114

Tabla 43. Rangos y lmites mximos de calidad de vertidos

lquidos descargados en cuerpos de agua, medio marino

costero y redes cloacales 130

xiv

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario ndice de Figuras

NDICE DE FIGURAS

Pgina

Figura 1. Ciclos del agua-carbono-oxgeno-nitrgeno 11

Figura 2. Clasificacin de los slidos presentes en las aguas residuales 17

Figura 3. Diagrama esquemtico de un proceso de lodos activados 32

Figura 4. Sustrato a la salida para distintos valores de sustrato inicial 40

Figura 5. Variacin de la biomasa en el reactor 41

Figura 6. Produccin de lodo 41

Figura 7. Variacin del oxgeno requerido 42

Figura 8. Variacin del Sustrato a la Salida 43

Figura 9. Diagrama esquemtico de un proceso de nitrificacin 56

Figura 10. Sistemas de nitrificacin-desnitrificacin de una y varias

etapas anxicas 69

Figura 11. Diagrama de un sistema de predesnitrificacin 70

Figura 12. Diagrama de la propuesta metodolgica empleada 75

Figura 13. Ventana principal del programa simLodos 85

Figura 14. Formularios para el suministro de informacin en el

programa simLodos 86

Figura 15. Ventana del Reporte generado por el programa simLodos 88

Figura 16. Perfiles del sustrato en el efluente 95

Figura 17. Variacin de caudal de la Empresa A 102

xv

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario Lista de Smbolos

LISTA DE SMBOLOS Smbolo Significado

= kL aire (aguas residuales)/kL aire (agua de chorro). D = Coeficiente de produccin de materia inerte soluble asociado

al modelo de decaimiento endgeno [adimensional].

= S0S (agua residual)/S0S (agua de chorro). = Constante. h = Tiempo de residencia hidrulico [da] X = Tiempo de residencia celular o edad del lodo [da] Xm = Tiempo de retencin celular mnimo [da]. = Fraccin de organismos facultativos en la biomasa hetertrofa

[adimensional].

(h) = Tasa especfica de crecimiento microbiano para organismos hetertrofos [dia-1].

(h) = Tasa mxima especfica de crecimiento microbiano para organismos hetertrofos [dia-1].

A = Tasa especfica de crecimiento microbiano para organismos auttrofos [dia-1].

A = Tasa mxima especfica de crecimiento para organismos auttrofos [dia-1].

A = Tasa neta especfica de crecimiento para organismos nitrificadores [da-1].

D = Tasa especfica de crecimiento de los organismos desnitrificadores [da-1].

D = Tasa mxima especfica de crecimiento de los desnitrificadores [dia-1].

= . 20SSOST

xvi


W = Densidad del agua a la temperatura T(C), [lb/pie3]. = . )007.0()007.0( vTewvTew PdPPdP ++ bA = Coeficiente de decaimiento endgeno para organismos

auttrofos [da-1]

bhd = Coeficiente de decaimiento endgeno para hetertrofos desnitrificadores [da-1].

Ci = Constante [0.285 Kg O2/m3 aire]. CS = Concentracin de sustrato biodegradable [mg DQO/L]. CWTR = tasa de transferencia de oxgeno en agua limpia [lbs/hp-hr]. DBO(t,T) = Demanda bioqumica de oxgeno en el tiempo t

y a la temperatura T [mg/L]. de = Profundidad efectiva de saturacin [pie]. E = Eficiencia de la remocin de sustrato [adimensional]. e (SOTE) = Eficiencia de transferencia de oxgeno en condiciones

estndar [Adimensional].

F = Factor de ensuciamiento (vlido para difusores) (valor tpico = 0.7) [adimensional].

f = Coeficiente de proporcin entre la DBO y L [mg DBO/mg DQO].

fA = Fraccin de organismos nitrificadores [adimensional]. fC = Factor de choque en la aeracin del lodo [adimensional]. fex = Fraccin inerte de la biomasa igual a 0.2 [adimensional]. F/M = Relacin sustrato-microorganismo [da-1]. IVL = ndice volumtrico de lodo [ml-gr]. ib = Coeficiente estequiomtrico -fraccin de nitrgeno en la

biomasa en base seca- [0.12 g N/g VSS].

iXE = fraccin de nitrgeno en el lodo endgeno [adimensional]. J = [Kg.O2/Kw-h] transferidos en condiciones de campo. JO = [Kg.O2/Kw-h] transferidos en condiciones estndar

(T 20 C y 0 OD).

xvii


KA = Concentracin constante de amonio a de la tasa mxima de crecimiento de las nitrosomonas [mg (NH4+)/L].

KD = Coeficiente constante de concentracin de nitrato a de la tasa mxima de crecimiento de los desnitrificadores

[mg (NO3--N)/L].

Kd = Coeficiente de decaimiento endgeno [da-1]. Km = Tasa mxima especfica de remocin de sustrato

[mg (sustrato utilizado)/mg (biomasa producida)dia].

KNO = de la concentracin de saturacin de oxgeno en medio anxico [mg/L].

KOA = Concentracin constante de oxgeno a de la concentracin de saturacin a la temperatura del reactor [mg/L].

KS = Concentracin constante de sustrato a de la tasa mxima de crecimiento microbiano [mg (sustrato)/L].

K(T) = Constante de reaccin a la temperatura T [das-1]. K20 = Constante de reaccin a 20 C [das-1]. L = DBO ltima de primera etapa [mg/L]. MX = Cantidad de masa contenida en el reactor [mg]. NR = Requerimiento de nitrgeno en el agua residual

[mg N/mg DBO].

ND = Tasa de remocin de nitrato en la desnitrificacin [mg NH4 /L afluente].

NDP = Potencial de remocin de nitrato [mg NO /L afluente]. NOX = Tasa de formacin de nitrato en la nitrificacin

[mg NO3 /L afluente].

OB = Requerimiento de oxgeno por cantidad de DBO aplicada al tratamiento [Kg O2/Kg DBO aplicada].

OR = Requerimiento de oxgeno [Kg O2/da lb O2/hp]. ORH = Requerimiento de oxgeno para degradar aerbicamente el

sustrato en la predesnitrificacin [Kg O2/da].

xviii


ORHS = Requerimiento de oxgeno equivalente para degradar aerbicamente el sustrato en la predesnitrificacin [Kg O2/da].

ORT = Requerimiento de oxgeno (OR) calculado a la temperatura T(C) [Kg O2/da].

P = Presin en la planta de tratamiento [atm]. Patm = presin atmosfrica en condiciones estndar, 14.7 psia

1atm. al 100% de humedad relativa [atm].

PN = Cantidad de nitrgeno removido por da [mg N/da]. PotM = Potencia para mezclado [hp], donde V se expresa en MMgal. PotR = Potencia requerida [hp]. PvT = Presin de vapor saturada del agua a la temperatura T(C)

[psia].

PX (PXH) = Produccin de lodo para hetertrofos [Kg (SSV)/da]. PXA = Produccin de lodo para auttrofos (nitrificacin)

[Kg (SSV)/da].

PXp = Produccin de lodo endgeno [Kg (SSV)/da]. Q = Caudal de entrada [L/da]. QA = Caudal de aire necesario [m3 aire/da]. QR = Caudal de lodo reciclado [L/da]. QW = Caudal de lodo retirado del sistema [L/da]. q = Tasa especfica de remocin de sustrato

[mg (sustrato utilizado)/mg (biomasa producida)da].

qA = Tasa especfica de oxidacin de amonio [g NH4+ oxidado/g VSSda].

qD = Tasa mxima de remocin de nitrato [mg NO3-/mg VSSda]. qD-20 = Tasa de remocin de nitrato a 20C [mg NO3-/mg VSSda]. qD (Ud) = Tasa especfica de remocin de nitrato [mg NO3-/mg VSSda]. qD(T) = Tasa de remocin de nitrato a la temperatura T(C)

[mg NO3-/mg VSSda]. R = Relacin de reciclo [adimensional].

xix


rOT = Tasa de transferencia de oxgeno. [Kg O2/Lda]. rS = Tasa de sustrato utilizado [mg (sustrato)/Lda]. rSN = Tasa de remocin de nitrgeno por unidad de volumen del

reactor [mg (nitrgeno removido)/Lda].

rso = Tasa de utilizacin de oxgeno [Kg O2/Lda]. rX = Tasa neta de crecimiento bacteriano [mg (biomasa)/Lda]. S = Concentracin de sustrato materia carboncea-

[mg (sustrato)/L].

Salk = Alcalinidad como CaCO3 [mg/L]. Si = Concentracin de sustrato inerte [mg DQO/L]. SNH = Concentracin de NH4+ [mg/L]. SNO = Concentracin de NO3- [mg/L]. S0 = Concentracin de oxgeno promedio durante la operacin en el

licor mixto (tpicamente 2 mg/L).

SOA = Oxgeno disuelto en el reactor de nitrificacin [mg/L]. SOST = Concentracin de saturacin de oxgeno en el agua limpia a la

temperatura T(C) y a la presin PS=1 atm [Kg O2/L]. SOR = Requerimiento de oxgeno en condiciones estndar

[Kg O2/da].

SR = Concentracin de sustrato residual [mg DQO/L]. SWalt = Concentracin de saturacin de oxgeno en el agua limpia a

20C.

SS = Concentracin de sustrato solublemateria carboncea- [mg (sustrato)/L].

S20 = Concentracin de saturacin de oxgeno en el licor mixto en condiciones estndar [Kg O2/L].

T = Temperatura [C]. t = Tiempo [das]. V = Volumen total del reactor biolgico [m3]. VA = Volumen del reactor biolgico aerobio [m3].

xx


VD = Volumen del reactor biolgico anxico [m3]. VLS30 = Volumen de lquido sedimentado en 30 minutos [ml/l]. X (Xh) = Concentracin de biomasa hetertrofa [mg (biomasa)/L]. XA = Concentracin de biomasa auttrofa (nitrificadores)

[mg (SSV)/L].

Xe = Concentracin de biomasa en el efluente [mg (SSV)/L]. Xhd = Concentracin de biomasa hetertrofa desnitrificadora

[mg (SSV)/L]

XI = Concentracin de materia inerte particulada [mg /L]. Xp = Concentracin de biomasa endgena [mg /L]. XR = Concentracin de biomasa en la corriente de reflujo

[mg (VSS)/L].

Y = Coeficiente mximo de productividad para hetertrofos [mg (biomasa producida)/mg (sustrato utilizado)].

YA = Coeficiente de productividad para las nitrosomonas [mg SSV producido/mg NH4+ oxidado].

YA-obs = Coeficiente de productividad observado en la nitrificacin [mg (biomasa producida)/mg (sustrato utilizado)].

YD = Coeficiente mximo de productividad para hetertrofos en la desnitrificacin [mg (biomasa formada)/mg (sustrato utilizado)].

YD-obs = Coeficiente de productividad observado para hetertrofos en la desnitrificacin [mg biomasa (SSV)/mg NO3- removido].

Yobs = Coeficiente neto de productividad en la remocin de materia carboncea [mg (biomasa producida)/mg (sustrato utilizado)].

Sigla Significado ASM1 = Activated Sludge Model N1 ASM3 = Activated Sludge Model N3 DBO = Demanda Bioqumica de Oxgeno. DQO = Demanda Qumica de Oxgeno.

xxi


SST = Slidos Suspendidos Totales. SSV = Slidos Suspendidos Voltiles. TKN = Nitrgeno Total Kjeldhal.

xxii

I. INTRODUCCIN

1

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Introduccin.

El crecimiento poblacional y los problemas de contaminacin, causados por

la actividad del hombre, han llamado su atencin acerca de la conservacin de

uno de los componentes principales de nuestro planeta, presente en nuestros

organismos y participante de casi todas nuestras tareas: el agua.

Diversos intentos se han realizado para su conservacin. Actualmente

existen varias tecnologas capaces de realizar la tarea de depurar el agua utilizada

en actividades domsticas, agrcolas e industriales, y un grupo de modelos

matemticos que ayudan al diseo, puesta en prctica y operacin de las mismas.

En particular, el sistema de lodos activados, uno de los principales mtodos

de reduccin y control de materia orgnica y nitrgeno en las aguas residuales, se

ha visto beneficiado con este desarrollo. No obstante, la aplicacin de los modelos

existentes no es una tarea sencilla.

El auge y desarrollo de la computacin, ha puesto al servicio del diseador

y operador de plantas de tratamiento de aguas una poderosa herramienta de

clculo, capaz de facilitar las tareas humanas relacionadas con el modelado de

esos procesos, producir un ahorro sustancial de tiempo y asegurar una mayor

precisin en los clculos implicados.

Sin embargo, el mercado nacional est desprovisto de programas que

permitan el modelado de sistemas de lodos activados adaptado a los distintos

tipos de plantas que operan en el pas y a las caractersticas ambientales del

mismo.

Como respuesta a la problemtica expuesta, se propone el siguiente

trabajo, el cual consiste en el desarrollo de un programa para el modelado de

sistemas de lodos activados. Con ello se pretende facilitar el trabajo de diseo y

operacin de dichas plantas, brindando una herramienta que permita predecir el

2

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Introduccin.

funcionamiento de las mismas, con lo cual se puede ayudar considerablemente a

la toma de decisiones en el proceso de diseo y/u operacin.

Para el logro de la meta fijada, primero se determinaron las principales

configuraciones del sistema de lodos activados utilizadas en el pas. Para cada

una de ellas se estableci el modelo matemtico correspondiente, basado en los

fundamentos expuestos en la bibliografa especializada. Adems se fijaron

concentraciones mximas de contaminantes de acuerdo a la ley ambiental, y

rangos de variacin para los parmetros y las constantes cinticas implicadas en

el proceso, segn la experiencia y las normas de diseo existentes. Con base en

lo anterior, se desarrollaron los mdulos de clculo e interfaz del usuario que

compone al programa en cuestin. Finalmente se realiz la evaluacin de los

resultados para comprobar la utilidad del programa, y un manual del usuario para

facilitar su empleo.

Es importante sealar que el presente trabajo se enmarca en una variedad

de aplicaciones computacionales en desarrollo a partir de 1999, en la Escuela de

Ingeniera Qumica, relacionadas con el tratamiento de agua, bajo el auspicio de la

compaa HO INGENIERA C. A. y con la colaboracin de la Planta Experimental

de Tratamiento de Aguas (PETA) de la Universidad Central de Venezuela.

3

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Planteamiento del Problema.

El diseo de las plantas de tratamiento de aguas residuales, y

especficamente de los sistemas de lodos activados, se realiza tomando en cuenta

las necesidades especficas expresadas en los parmetros de diseo, a saber:

caudal a tratar, concentracin y tipo de los contaminantes en el afluente y efluente,

consumo de energa, cantidad esperada de subproductos (lodos), comportamiento

cintico del sistema, condiciones ambientales, etc.

Generalmente, el comportamiento de dichos sistemas durante la operacin

corresponde bastante bien a los proyectados en el diseo. A pesar de esto, surgen

con cierta frecuencia variaciones considerables en uno o ms de esos parmetros,

con lo cual el desempeo de los lodos activados se ve sensiblemente afectado,

hacindose necesario un reajuste en las condiciones de operacin del sistema.

Un anlisis del efecto que las variables de operacin tienen sobre el

comportamiento de la planta, representa un medio vlido para definir cules

acciones se deben tomar para asegurar que el efluente cumpla con las

condiciones impuestas por la ley ambiental, ahorrndose dinero y energa. Esto

slo es posible si se dispone de informacin precisa acerca de la actuacin del

sistema frente a determinadas condiciones operacionales. No obstante, esto no

siempre ocurre debido al desconocimiento de los procesos y la relacin entre las

variables implicadas en un tratamiento con lodos activados por parte de los

operadores de las plantas, como queda evidenciado en la tabla 1.

Los errores en el diseo, aunque menos frecuentes, son tambin una de las

causas del mal funcionamiento de los sistemas de lodos activados (ver tabla 1).

Debido a que los modelos existentes que permiten describir los tratamientos

con lodos activados no son de fcil aplicacin, se hace necesario el uso de

computadoras para agilizar el proceso de obtencin y anlisis de la informacin, y

por ende, de la toma de decisiones.

5

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Planteamiento del Problema.

Tabla 1. Problemas asociados con las plantas de tratamientos [EPA, 1993] Causa Principal N de

Regiones

Factor que Limita el Desempeo Operador Administrador Diseador

10 Poco entendimiento del proceso de

operacin y control X

9 Manejo de slidos y disposicin de lodos Probable 8 Infliltraciones Probable

6 Empleados

(carencias, pagos retrasados) X

6 Laboratorio Probable 4 Errores de Diseo X

4 Apoyo municipal

(tcnico y econmico) X

3 Programa preventivo de mantenimiento Probable

Por ello es de suma importancia disponer de un programa flexible, capaz de

predecir con bastante precisin y rapidez el desempeo de los sistemas de lodos

activados en operacin, en cuanto al cumplimiento de las normas ambientales,

comportamiento de las variables del proceso y consumo de energa. Conviene

adems que el programa se adapte lo mejor posible a las condiciones climticas y

de operacin de las plantas que funcionan en el pas; y en los casos de diseo sea

posible detectar las fallas antes de su ejecucin.

Atendiendo a estas necesidades se propuso la elaboracin de un programa

que cumpliera con los objetivos que a continuacin se sealan.

6

III. OBJETIVOS

7

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Objetivos

Los objetivos generales y especficos planteados en el presente trabajo de

grado son:

III.1 Objetivo General: Elaborar un programa bajo ambiente Windows, amigable y flexible, que

permita evaluar y predecir las condiciones de operacin de diferentes

sistemas de lodos activados.

III.2 Objetivos Especficos: Definir y/o seleccionar, entre los modelos matemticos existentes, las

ecuaciones a emplear para describir el comportamiento de los sistemas

involucrados en el tratamiento con lodos activados en estado

estacionario (sistemas de reduccin de materia orgnica, nitrgeno y

sistemas combinados), con base en los parmetros de diseo y

operacin utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales

(Demanda Bioqumica de Oxgeno, Demanda Qumica de Oxgeno,

contenido de nitrgeno, contenido de fsforo, masa de bacterias, etc.).

Elaborar un programa que permita predecir y evaluar mediante resultados numricos y grficos las condiciones de operacin de los

diferentes sistemas de lodos activados, en funcin de los parmetros

que puedan afectar dichos sistemas en las plantas de tratamiento de

aguas residuales.

Evaluar y validar el programa con datos de la bibliografa especializada y parmetros de la industria, tomando en cuenta las regulaciones

nacionales e internacionales.

Elaborar un manual de usuario, en el que se explique de forma sencilla y clara los distintos pasos a seguir para el buen uso del programa

elaborado.

8

IV. REVISIN BIBLIOGRFICA

9

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario. Revisin Bibliogrfica.

A continuacin se presentan los fundamentos mnimos necesarios para

entender, estudiar y modelar los sistemas de tratamiento de aguas residuales, en

lo tocante a los sistemas de lodos activados en estado estacionario. IV.1. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

El tratamiento de las aguas residuales es una prctica comn en la

sociedad moderna. La difusin de la misma se debe a la necesidad, cada vez ms

imperiosa, de conservar uno de los recursos naturales ms importantes que se

tiene: el agua.

Sin ella la vida no es posible, por ello el procesamiento del agua que se

utiliza antes de retornarla a su entorno natural, no responde simplemente a la

necesidad de mantenerla en condiciones ptimas para su utilizacin y consumo

tanto humano como industrial, sino tambin para mantener el equilibrio de la

totalidad de los procesos que se dan en la naturaleza.

En consecuencia, es indispensable conocer el papel que juega el agua en

el soporte de la vida, para delinear el modo en que puede y debe realizarse el

tratamiento de las aguas residuales.

VI.1.1. Participacin del Agua en el Ambiente y Necesidad de Tratamiento

Los principales elementos que participan con el agua en el soporte de la

vida son carbono, oxgeno y nitrgeno. El trnsito de cada uno de ellos en la

naturaleza define los ciclos del agua (hidrolgico), del carbono-oxgeno (o ciclo del

CO2) y del nitrgeno (ver figura 1).

10


11


Como es bien sabido, el ciclo hidrolgico consiste en un desplazamiento

cclico del agua dentro del planeta por efectos de la energa solar. Durante el

mismo el agua experimenta repetidos cambios de fase y participa directa e

indirectamente en los ciclos del dixido de carbono y del nitrgeno.

En el ciclo del CO2 el dixido de carbono atmosfrico y el agua son

utilizados como materia prima por las plantas durante la fotosntesis, con la

sucesiva generacin de materia orgnica (carbohidratos) como producto principal

y liberacin oxgeno. La materia orgnica es utilizada posteriormente en la

alimentacin de los animales y procesada junto con oxgeno, mediante la

respiracin. El CO2, producto de la respiracin, es liberado a la atmsfera,

completando el ciclo. Este proceso tambin es llevado a cabo por las bacterias y

otros microorganismos. La accin bacteriana (descomposicin) sobre las excretas

y organismos muertos de animales y vegetales es un ejemplo de ello.

Por otra parte, el nitrgeno ambiental pasa a la tierra y al agua y se

transforma en compuestos hidrogenados orgnicos (fijacin), luego es asimilado

por plantas y animales en la cadena alimenticia. Los desechos de estos ltimos

son degradados por microorganismos, hasta liberar nitrgeno gaseoso (N2) y

cerrar el ciclo.

Los tres ciclos mencionados coinciden en el metabolismo de los seres

vivos. Por ello el desequilibrio en estos ciclos, inducido por la contaminacin,

causa efectos perniciosos en la salud y altera el funcionamiento del ecosistema.

En el caso particular de las aguas residuales, se observan efectos perjudiciales a

corto plazo en el medio acutico.

Por una parte, las altas concentraciones de materia orgnica en los cuerpos

de aguas, causadas por el vertido de aguas residuales domsticas o industriales,

estimulan el crecimiento descontrolado de microorganismos que se alimentan de

12


materia orgnica biodegradable. Debido a razones bioqumicas, la utilizacin de

esa materia se realiza preferentemente con la participacin del oxgeno disuelto en

el medio. En consecuencia, la asimilacin de la materia orgnica conlleva a la

disminucin de la cantidad de oxgeno disuelto disponible en los cuerpos de agua

para los organismos que habitan en ellos, lo cual puede desencadenar la

desaparicin gradual e incluso la extincin de algunas especies acuticas.

Por otro lado, la actividad industrial ha incrementado la fijacin de nitrgeno

en forma de nitratos y amonio tanto en el agua (por ejemplo, va de aguas

residuales) como en la tierra (a travs de fertilizantes).

Estos compu ransformados en una serie de reacciones

bioqumicas. A saber

Amonificacin (tra

H2NCONH2 (urea)

Nitrgeno Orgnico

Nitrificacin (oxida

NH4+ (amonio) + O

Desnitrificacin (re

NO3- + Carbono Or

La amonificac

junto al nitrato, pu

estimulando su proce

agua con poco movi

del agua conocido co

estos son t:

nsformacin del nitrgeno en amonio):

+ 2H2O (NH4)2 CO3 (carbonato de amonio).

(protenas, Aminocidos) + Microorganismos NH3 / NH4+

cin biolgica del amonio):

2 NO2- (nitrito) + O2 NO3- (nitrato) Nitrosomonas Nitrobactericeas

duccin biolgica del nitrato):

gnico NO2- + Carbono Orgnico N2 + CO2 + H2O

in (realizada por microorganismos), produce amonio que

eden ser asimilados por las algas y plantas acuticas

so de crecimiento. Si esto sucede en exceso en cuerpos de

miento, se puede generar un problema que afecta la calidad

mo eutrofizacin.

13


Paralelamente, puede ocurrir nitrificacin del amonio en el agua (en grado

apreciable) causando una considerable disminucin del oxgeno disuelto en el

medio (la oxidacin de 1.0 mg/l de amonio consume 4.6 mg/l de oxgeno).[EPA, 1993]

A las dificultades mencionados se suman varios problemas de salud pblica

asociados al nitrgeno. El amonio es el compuesto nitrogenado con mayor

responsabilidad en la toxicidad de peces y otras formas de vida acutica. Adems,

el nitrito y el nitrato estn relacionados con enfermedades como cianosis infantil

(conocida como bebs azules) y la aparicin de carcinomas (particularmente

cncer estomacal).[EPA, 1993]

Al considerar lo mencionado, se hace evidente la necesidad de controlar

por medio de plantas de tratamiento de aguas residuales, la concentracin de

materia orgnica y compuestos nitrogenados en las aguas residuales de origen

domstico o industrial, descargadas en los cuerpos de agua.

En Venezuela, el control y disposicin de las aguas residuales se encuentra

reglamentado en la Gaceta Oficial de Venezuela N 5.021, del 18/12/1995, segn

el decreto N 883 (ver apndice A). Tambin existen legislaciones regionales

como el decreto 3219 para la cuenca del Lago de Valencia. En todas ellas se

establecen valores y rangos permisibles para las descargas de contaminantes.

IV.1.2. Tpicos Bsicos del Tratamiento de Aguas Residuales[Metcalf & Eddy, 1991; PETA; Orhon & Artan, 1994]

El control de la materia orgnica y compuestos nitrogenados no es el nico

objetivo del tratamiento de aguas residuales. La eliminacin de organismos

patgenos asociados a las excretas animales, as como tambin la remocin de

sustancias txicas y cualquier agente que afecte la calidad de las aguas en cuanto

14


a sus caractersticas organolpticas (color, sabor y olor) son objetivos importantes

en el tratamiento de las aguas.

La presencia y concentracin de los contaminantes en las aguas residuales

vara dependiendo del uso que se le haya dado a la misma, por lo tanto, es

necesario clasificar las aguas segn su procedencia y determinar su composicin.

IV.1.2.1. Origen de las Aguas Residuales Clasificacin: Los componentes de las aguas residuales dependen del tipo de sistema de recoleccin utilizado y

pueden incluir:

a. Aguas residuales domsticas: comprende las aguas residuales

descargadas en instalaciones residenciales, comerciales, institucionales

y similares.

b. Aguas residuales industriales: aguas residuales en las que predominan

los desechos industriales.

c. Infiltraciones y malos empotramientos: agua que entra en los sistemas

de cloacas de diversos modos provenientes del suelo y agua de lluvia

que ingresa a los sistemas de recoleccin por medio de conexiones o

empotramientos incontrolados, descargas ilegales, etc.

d. Agua de lluvia: precipitaciones que se depositan directamente sobre las

canales abiertas.

IV.1.2.2. Composicin de las Aguas Residuales: Las caractersticas fsicas y la cantidad de constituyentes qumicos, fsicos y biolgicos del agua residual

determinan su composicin. La determinacin de la misma se llama

caracterizacin. La tabla 2 resume los principales contaminantes y su fuente.

IV.1.2.2.1. Caracterizacin Fsica: La caracterstica fsica ms importante del agua residual es el contenido de slidos totales, los cuales estn compuestos por la

materia flotante, la materia en suspensin y la materia en solucin.

15


Analticamente, los slidos totales contenidos en el agua residual son

aquellos que resultan de la evaporacin del agua residual en un rango de

temperatura de 103 a 105C. La misma es clasificada de varias formas (figura 2).

Tabla 2. Caracterizacin qumica, fsica y biolgica del agua residual y sus fuentes[Metcalf & Eddy, 1991]

Caracterizacin Fuente Fsica: Color Desechos industriales y domsticos; materia orgnica Olor Descomposicin bacteriana; desechos industriales Slidos Desechos industriales, domsticos; slidos propios de las cuencas

acuticas Temperatura Descargas industriales y domsticas Qumica: Fuente Orgnica: Carbohidratos Descargas industriales, domsticas y comerciales Grasas y Aceites

Descargas industriales, domsticas y comerciales

Pesticidas Desechos de actividad agrcola Fenoles Desechos industriales Protenas Descargas industriales, domsticas y comerciales Surfactantes Desechos industriales y domsticos Otros Descomposicin natural de la materia orgnica Fuente Inorgnica:

Alcalinidad Desechos domsticos y minerales propios de las cuencas acuticas Cloruros Desechos domsticos y minerales propios de las cuencas acuticas;

suavizantes de ropa Metales Pesados

Desechos industriales

pH Desechos industriales Nitrgeno Desechos domsticos y agrcolas Azufre Desechos domsticos e industriales Txicos Desechos industriales Gases: H2S Descomposicin de las aguas domsticas CH4 Descomposicin de las aguas domsticas Biolgica: Animales Cursos de agua abiertos y plantas de tratamiento Plantas Cursos de agua abiertos y plantas de tratamiento Microorganismos Desechos domsticos

16


Slidos No Voltiles

Slidos Voltiles

Slidos No Voltiles

Slidos Voltiles

Slidos No Voltiles

Slidos Voltiles

Slidos No Voltiles

Slidos Voltiles

Slidos Disueltos

Slidos No Sedimentables

Slidos Coloidales

Slidos Sedimentables

Slidos Filtrables

Slidos Suspendidos

Slidos Totales

Figura 2. Clasificacin de los slidos presentes en las aguas residuales [Metcalf & Eddy, 1991; PETA]

Cuando se trabaja con lodos activados, la fraccin de slidos ms

importante la componen los slidos suspendidos (SS), tambin llamados slidos

suspendidos totales (SST). De entre ellos, la parte voltil (fraccin orgnica que

se oxida y es separada como gas a 600C), conocida como slidos suspendidos

voltiles, (SSV VSS segn sus siglas en espaol o en ingls) se refiere a la

porcin orgnica de los slidos suspendidos presentes en el afluente, y su

cantidad es bastante cercana a la cantidad de materia orgnica que se puede

separar en un tren de tratamiento.

El trmino slidos suspendidos voltiles tambin se emplea como una

medida indirecta de la cantidad de microorganismos presentes en el tratamiento

biolgico.

17


IV.1.2.2.2. Caracterizacin Qumica: La caracterizacin qumica del agua residual comprende la determinacin de la materia orgnica e inorgnica presente,

junto con los gases disueltos en el agua residual.

Los mtodos de laboratorio comnmente usados en la determinacin de la

materia orgnica son la demanda bioqumica de oxgeno (DBO), la demanda

qumica de oxgeno (DQO) y el carbono orgnico total (COT), siendo los dos

primeros los ms utilizados. Otras pruebas se concentran en la medicin de

nitrgeno como el nitrgeno total Kjeldahl (TKN). En la tabla 3 se listan valores

tpicos de estos parmetros para un agua residual domstica.

A. Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO): La demanda bioqumica de

oxgeno se define como la cantidad de oxgeno requerida por los microorganismos

para estabilizar la materia orgnica bajo condiciones aerobias.

Para la determinacin de la DBO, se siembra con microorganismos

aclimatados una muestra diluida del agua que se est analizando, despus de

haberla saturado de oxgeno. Durante el proceso de oxidacin bioqumica

(estabilizacin) de la materia orgnica, el oxgeno presente en la muestra es

consumido. Midiendo a este ltimo, se obtiene una idea de la concentracin de

materia orgnica presente.

La cintica de la DBO, para efectos prcticos, ha sido formulada siguiendo

un modelo de primer orden [Orhon & Artan, 1994], obtenindose la siguiente

expresin:

DBO (t, T) = L*(1-e-t*K(T)) (Ec. 1) donde:

DBO(t, T) = Demanda bioqumica de oxgeno en el tiempo t y a la temperatura T [mg/L].

18


t = tiempo [das]. T = Temperatura [C]. L = DBO ltima de primera etapa [mg/L]. K(T) = constante de reaccin a la temperatura T [das-1].

Tabla 3. Composicin tpica del agua residual no tratada[Metcalf & Eddy, 1991] Componente Concentracin (mg/L)

Fuerte Media Dbil Slidos Totales: 1200 720 350 Disueltos Totales: 850 500 250 Fijos 525 300 145 Voltiles 325 200 105 Suspendidos Totales: 350 220 100 Fijos 75 55 20 Voltiles 275 165 80 Slidos Sedimentables (mL/L): 20 10 5 Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5) 400 220 110 Carbono Orgnico Total (COT) 290 160 80 Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) 1000 500 250 Nitrgeno Total (como N): 85 40 20 Orgnico 35 15 8 Amonio Libre 50 25 12 Nitritos 0 0 0 Nitratos 0 0 0 Fsforo Total (como P): 15 8 4 Orgnico 5 3 1 Inorgnico 10 5 3 Cloruro 100 50 30 Alcalinidad (como CaCO3) 200 100 50 Grasa 150 100 50

Con la finalidad de estandarizar los valores de la DBO, se opt por fijar la

temperatura de las pruebas en 20C, y la duracin de las mismas en 5 das, con lo

cual, la expresin anterior se reduce a:

DBO5 = L*(1-e-5K) (Ec. 2)

El valor del parmetro L se relaciona con la DBO5, como:

19


fDBODBOL U

5== (Ec. 3)

siendo f [mg DBO/mg DQO] un coeficiente de proporcin que relaciona a L, tambin llamada DBO ltima (DBOU), con la DBO5. El valor de f no es constante, sino que depende de las caractersticas del agua residual, y vara entre 0.65-0.70

para aguas de origen domstico, y puede fluctuar entre 0.9-1.0 para aguas de

origen industrial [Orhon & Artan, 1994].

Si no se dispone de un valor de K a 20C, ste se puede determinar a partir de un valor de K a una temperatura distinta, mediante la siguiente relacin:

K (T) = K20* (T-20) (Ec. 4) donde:

K20 = Constante de reaccin a 20C [das-1].

La determinacin de DBO presenta diversos inconvenientes, entre ellos:

Se requiere de al menos 5 das para obtener valores de DBO. La determinacin de la materia orgnica biodegradable presente no es

posible, solamente se puede obtener una medida indirecta de la misma

mediante la DBO ltima de primera etapa.

El valor de K depende no slo de la temperatura, sino del tipo de microorganismos presentes.

La aclimatacin de la siembra inicial afecta el resultado de la DBO.

B. Demanda Qumica de Oxgeno (DQO): La demanda qumica de oxgeno es una prueba donde la materia orgnica de una muestra es oxidada con

dicromato de potasio en cido sulfrico concentrado hirviendo a 150C sobre

catalizador de plata; obteniendo CO2 y agua segn la siguiente reaccin:

Materia orgnica (CaHbOc) + Cr2O7-2 + H+ Cr-3 + CO2 + H2O

catalizador

20


A pesar de que la prueba de DQO provee un medio fuertemente oxidante,

el amonio no resulta oxidado; esto hace particularmente beneficiosa la adopcin

de la DQO como medida de la materia orgnica carboncea, pues con ella se

determina nicamente la cantidad de carbono presente. La desventaja del mtodo

est en que parte de ese carbono corresponde a materia no biodegradable, pero

este problema puede solucionarse al utilizar la variacin de DQO como medida de

remocin de materia orgnica en un sistema de tratamiento.

C. Nitrgeno Total Kjeldahl (TKN): Este mtodo consiste en la digestin de

una muestra acuosa, durante la cual el nitrgeno orgnico es convertido en

amonio. La suma del amonio inicial ms el producido durante la digestin

representa el nitrgeno total Kjeldahl.

IV.1.2.3. Tratamiento de las Aguas Residuales[Metcalf & Eddy, 1991]: El tratamiento de las aguas residuales se realiza tanto en plantas experimentales de tratamiento,

como en plantas municipales e industriales. Las dimensiones de las mismas, as

como los mtodos que utilizan, varan dependiendo de los componentes del agua

residual y del sitio donde sta se descargue una vez tratada.

Distintas tecnologas se han diseado para tal fin. En ellas se conjuga una

variedad muy amplia de configuraciones de tratamiento, no obstante, los mtodos

de tratamiento se suelen clasificar en tres grandes grupos, debido a que los

principios envueltos en cada uno no cambian. Dichos grupos son:

A. Unidad de Tratamiento Fsico: La unidad de tratamiento fsico est compuesta en secciones donde el agua es separada de sus contaminantes

mediante procesos de separacin fsicos. Ejemplos tpicos son: filtracin y

desbaste, sedimentacin, etc.

21


B. Unidad de Tratamiento Qumico: En las unidades de este tipo, la separacin y/o conversin de contaminantes ocurre mediante reacciones qumicas. La

precipitacin mediante floculantes, adsorcin e intercambio inico, y la

desinfeccin son unidades qumicas comunes.

C. Unidad de Tratamiento Biolgico: Los mtodos de tratamiento en los cuales la remocin de contaminantes es llevada a cabo mediante actividad biolgica,

componen a las unidades de tratamiento biolgico. ste es usado principalmente

para remover las sustancias orgnicas biodegradables (slidos coloidales y

disueltos) del agua residual. Tambin se utiliza para remover nitrgeno.

Un sistema de lodos activados es uno de los principales ejemplos de una

unidad de tratamiento biolgico. Sobre esto se discutir con detalle a continuacin.

IV.2. SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS

En esta seccin se introduce el concepto de lodos activados y sus

principales caractersticas.

IV.2.1. Seccin de Tratamiento Biolgico[Metcalf & Eddy, 1991] Los objetivos de una seccin de tratamiento biolgico de aguas residuales

son coagular y remover los slidos provenientes de las etapas de tratamiento

anteriores y estabilizar la materia orgnica, conocida como sustrato.

Especficamente, en aguas residuales domsticas, la tarea principal es

reducir el contenido orgnico y, en muchos casos, el nitrgeno y el fsforo. En

aguas provenientes de actividades agrcolas se persigue la remocin de

nutrientes, particularmente el nitrgeno y fsforo, que pueden estimular el

22


crecimiento de la flora acutica. En aguas de origen industrial se busca reducir la

concentracin de compuestos orgnicos e inorgnicos.

Los objetivos antes mencionados se llevan a cabo mediante el empleo de

microorganismos que se sirven de la materia orgnica presente, junto con los

nutrientes, en sus procesos metablicos.

Cuando los microorganismos crecen fijos a alguna superficie, se habla de

sistemas biolgicos de biomasa adherida. Algunos de ellos son los lechos

biopercoladores y los biodiscos, entre otros. Por otro lado, cuando los

microorganismos no estn fijos en una superficie, sino que pueden desplazarse en

el seno del agua residual, se habla de sistemas biolgicos de biomasa

suspendida. A esta categora corresponden los sistemas de lodos activados.

IV.2.2. El Proceso de Lodos Activados [Eikelboom & Van Buijsen, 1981]

El proceso de lodos activados se basa en el siguiente fenmeno: cuando el

agua residual es aireada, las bacterias se agrupan en partculas floculentas de

forma espontnea. Al detener la aeracin esas partculas sedimentan. El lquido

sobrenadante, cuyo grado de contaminacin ha descendido significativamente,

puede ser descargado mientras que las partculas pueden utilizarse para tratar

una nueva porcin de agua residual.

Los tratamientos biolgicos con lodos activados utilizados en la actualidad,

constan principalmente de un reactor biolgico donde ocurre la aeracin, seguido

de un sedimentador donde se separan las partculas de lodo (que salen como un

concentrado en el fondo del sedimentador) del agua tratada que constituye al

sobrenadante. Algunas variaciones integran el sedimentador dentro del reactor

biolgico.

23


Desde el punto de vista microbiolgico, los lodos activados representan un

ecosistema bajo circunstancias artificiales. Una variedad de microorganismos

presentes en el lodo activado, adems de las bacterias, participa directa o

indirectamente en la estabilizacin de la materia orgnica. En la tabla 4 se

presentan los microorganismos principales presentes en los lodos activados.

En general, se puede decir que existe una fuerte competencia, entre los

diferentes microorganismos, por los nutrientes disponibles. De hecho, la

composicin de las partculas floculentas depende del resultado de dicha

competencia. La calidad del agua residual (cantidad y clase de nutrientes, txicos,

etc.), as como tambin la tasa de crecimiento de cada microorganismo,

determinan la referida composicin.

Tabla 4. Microorganismos presentes en los lodos activados [Gaudy & Gaudy, 1980] Divisin Microorganismo Eucariotas Hongos

Algas Protozoarios

Procariotas Bacteria verde-azul Bacterias

Virus Virus Patgenos

Sin embargo, aunque puede pensarse que un sistema de lodos activados

posee una poblacin bacteriana en equilibrio, la poblacin de microorganismos

cambia continuamente. Esto no se distingue usualmente si se mira solamente el

resultado neto del tratamiento biolgico, lo cual es lgico nicamente si se piensa

en cambios continuos en el ecosistema microbiolgico ordenados a realizar un uso

ptimo de los nutrientes presentes; en otras palabras, la remocin de las

sustancias presentes en el agua residual. La estabilidad relativa del proceso de

lodos activados est relacionada con ello. La poblacin de microorganismos se

ajusta continuamente a los cambios operacionales realizados, la variacin en la

24


calidad del agua, la temperatura, etc. No obstante, la capacidad de cambio es

limitada.

Para comprender mejor la funcin de los microorganismos dentro del

proceso de lodos activados, conviene hacer algunas consideraciones acerca su

crecimiento y metabolismo.

IV.2.3. Metabolismo Microbiano Clasificacin [Gaudy & Gaudy, 1980; Orhon & Artan, 1994; PETA]

Los requerimientos nutricionales ms importantes para los

microorganismos, cuantitativamente hablando, son tres: fuente de energa, fuente

de carbono y el elemento donador de electrones.

Los microorganismos slo disponen de dos fuentes de energa: la luz y la

energa qumica. Aquellos que utilizan a la luz como fuente de energa se conocen

como fottrofos, mientras que los que usan energa qumica se conocen como

quimitrofos. Por otro lado, los microorganismos cuya fuente de carbono

inorgnico para la sntesis biolgica es el CO2, son llamados auttrofos, en tanto

que los que utilizan materia orgnica con el mismo propsito son los hetertrofos.

Finalmente, aquellos que requieren de compuestos inorgnicos como fuente de

electrones se conocen como littrofos, y los que usan compuestos orgnicos son

llamados organtrofos. Adicionalmente a los requerimientos nutricionales

mencionados, se puede indicar un cuarto parmetro estrechamente relacionado

con el metabolismo de los microorganismos: el aceptor de electrones. Cuando el

oxgeno funge como aceptor de electrones, se habla de un metabolismo aerobio,

mientras que en el metabolismo anaerobio y anxico, se utilizan compuestos

inorgnicos como NO3- SO4= y CO3=. La tabla 5 resume esta clasificacin.

25


Tabla 5. Clasificacin de los microorganismos segn su metabolismo [Gaudy & Gaudy, 1980]

Requerimiento Nutricional Clasificacin Fuente de Carbono:

Inorgnica (CO2) Auttrofos Materia Orgnica Hetertrofos

Fuente de Energa: Luz Fottrofos

Energa Qumica Quimitrofos Donador de Electrones:

Compuestos Inorgnicos Littrofos Compuestos Orgnicos Organtrofos

El proceso de lodos activados es bsicamente aerobio, donde la poblacin

de microorganismos predominante est formado por quimiohetertrofos. Estos

degradan el carbono orgnico en el agua residual como parte de sus reacciones

de obtencin de energa y sntesis biolgica, empleando el oxgeno como aceptor

de electrones.

Otras dos categoras de microorganismos son indispensables para remover

nitrgeno de las aguas residuales. Una de ellas la representan las bacterias

quimiolitotrficas, las cuales reducen compuestos de nitrgeno, tales como NH4+ y

NO2-, utilizados como fuente de energa, oxidndolos luego para formar nitrato

(NO3-). Este ltimo sirve como aceptor de electrones para otro grupo de bacterias

hetertrofas, las cuales lo convierten en nitrgeno gaseoso.

Independientemente de la clasificacin anterior, es necesario conocer la

relacin entre la cantidad de biomasa generada por sntesis biolgica, que se

retira del sistema como lodo de desecho, y la cantidad de sustrato empleado por

los microorganismos. Para ello se emplea un parmetro conocido como

coeficiente de productividad. Dicho coeficiente se suele representar como Y, y expresa cunta masa de microorganismos se genera por unidad msica de

sustrato removido.

26


El valor del coeficiente de productividad Y vara dependiendo de la temperatura, del tipo de microorganismos involucrados en el proceso y de los

componentes del agua residual.

Tambin existen otros parmetros que describen el comportamiento de los

microorganismos. stos son los parmetros cinticos. Por ejemplo, las ecuaciones

utilizadas para describir el crecimiento microbiano en el lodo activado, contemplan

la relacin entre el crecimiento bacteriano y el consumo de sustrato.

Las relaciones bsicas que definen el crecimiento microbiano (Ec. 5 y 6) se

expresa por medio de una ecuacin diferencial:

XdtdX = (Ec. 5)

donde:

X = concentracin de biomasa [mg (biomasa)/L].

= tasa de crecimiento especfica [da-1].

dtdSY

dtdX = (Ec. 6)

donde:

S = concentracin de sustrato [mg (sustrato)/L]. Y = coeficiente mximo de productividad

[mg (biomasa producida)/mg (sustrato utilizado)].

A partir de las Ec. 5 y 6, se define q:

qXXYdt

dS == (Ec. 7) donde:

q = tasa especfica de remocin de sustrato [mg (sustrato utilizado)/mg (biomasa producida)da].

27


El uso que se da a la Ec. 7 en la cintica microbiana depende de la manera

en que la tasa de crecimiento se relaciona con la concentracin limitada de sustrato cuando el crecimiento se lleva a cabo en un reactor. La mejor relacin

hallada es la expresin de Monod[Orhon & Artan, 1994], deducida empricamente a partir

de cultivos microbianos:

SKsS+= (Ec. 8)

donde:

: tasa mxima especfica de crecimiento [da-1]. KS: concentracin constante de sustrato a de la tasa mxima de crecimiento [mg (sustrato)/L].

Otras dos expresiones describen la variacin de biomasa y sustrato. Si se

substituye el valor de de Ec. 8 en las Ec. 5 y 6, se obtiene:

SKSX

dtdX

S += (Ec. 9)

SKSXK

SKSX

YdtdS

Sm

S +=+=

(Ec. 10)

siendo Km la tasa mxima especfica de remocin de sustrato, expresada en unidades de [mg (sustrato utilizado)/mg (biomasa producida)da].

Un desarrollo alterno sobre el crecimiento microbiano, basado en la cintica

enzimtica, fue realizado en 1920 por Michaelis y Menten [Orhon & Artan, 1994]. Sus

resultados concuerdan con las ecuaciones precedentes, sirviendo esto como

justificacin adicional de las mismas.

Por otra parte, en una poblacin microbiana, incluso si est constituida por

una sola especie, existen individuos menos capacitados que otros para sobrellevar

perodos de inanicin. Por tanto, stos mueren primero, convirtindose en una

fuente de carbono para el resto de las clulas vivas, las cuales estn en

28


condiciones de sobrevivir y de reproducirse. Esto afecta el tamao de la poblacin

microbiana, disminuyndola.

Matemticamente, el decrecimiento microbiano, tambin llamado

metabolismo endgeno, es definido mediante una ecuacin diferencial de primer

orden, de la siguiente forma:

XKdtdX

d= (Ec. 11) donde Kd es el coeficiente de decaimiento endgeno [da-1].

IV.3. MODELADO DE LOS LODOS ACTIVADOS Y REMOCIN DE MATERIA ORGNICA

La aplicacin de los sistemas de lodos activados como mtodo de

tratamiento de aguas residuales ha llevado la formulacin de modelos

matemticos que conjugan las caractersticas propias del comportamiento

microbiano (descritas en las ecuaciones de la seccin anterior), con las

particularidades del diseo y operacin de las plantas de tratamiento a escala

piloto e industrial.

Hasta ahora, los modelos de mayor importancia han sido desarrollados por

el grupo de trabajo de la International Association on Water Pollution Research

and Control (IAWPRC). El primero de ellos, conocido como ASM1 (por Activated

Sludge Model 1) fue publicado por primera vez en 1986 [Henze et al. 1987] y ha sido

estudiado, corregido y adaptado ampliamente. En consecuencia, en 1999 la

IAWPRC public la correccin del ASM1 conocido como ASM3 [Gujer et al., 1999].

Ambos modelos incluyen no slo el modelado para reduccin de carbono, sino

tambin para nitrificacin y desnitrificacin.

29


No obstante, la gran cantidad de parmetros cinticos y estequiomtricos

del ASM3 (ver tablas 6 y 7 para fines ilustrativos) hacen muy complicada su

aplicacin, por ello se sigue empleando el ASM1 y los modelos derivados.

Tabla 6. Ecuaciones cinticas del ASM3 [Gujer et al., 1999] j Proceso Ecuacin cintica j, para todo j O 1 Hidrlisis H

HSXHS

H XXXKXXk + /

/

Desnitrificacin, Organismos Heterotrficos

2 Almacenamiento aerbico de DQO

HSS

SSTO XSK

SSK

Sk ++ 000

3 Almacenamiento

anaerbico de DQO H

SS

S

NN

NNSTO XSK

SSK

SSK

Kk +++ 00

000

00

4 Crecimiento aerbico HHSTOSTO

HSTOHCHC

HCNHNH

NHH XXXK

XXSK

SSK

SSK

S ++++ //

000

000

5 Crecimiento anaerbico

(desnitrificacin) H

HSTOSTO

HSTO

HCHC

HC

NHNH

NH

NN

NNH XXXK

XXSK

SSK

SSK

SSK

K +++++ //

000

000

000

0

6 Respiracin endgena

aerbica HH XSK

Sb + 000

02


anaerobia H

NN

NNH XSK

SSK

Kb ++ 000

000

0

8 Respiracin aerbica de

XSTO STOSTO XSK

Sb + 000

02 bSTO.O2 bH.O2

9 Respiracin anaerobia

de XSTO STO

NN

NNSTO XSK

SSK

Kb00

000

00 ++ bSTO.NO bH.NO

Nitrificacin, Organismos Autotrficos 10 Nitrificacin A

HCHCA

HC

NHNHA

NH

AA XSK

SSK

SSK

S +++ 000

000

...


aerbica AA XSK

Sb + 000

02


anaerobia A

NN

NNA XSK

SSK

Kb ++ 000

000

0

Las ecuaciones que se proponen a continuacin, se derivan en su mayora

del ASM1 y estn tomadas de varias publicaciones realizadas en los aos 1991 y

1994 [Bitton, 1994; Eckenfelder, 1992; EPA, 1993; Orhon & Artan, 1994; Metcalf & Eddy, 1991], aunque tambin

se incluyen muchas expresiones anteriores al ASM1 que siguen vigentes. La

exposicin de las mismas se har de manera detallada en la presente seccin y

de modo ms resumido en las secciones posteriores. Esto con el fin de sentar las

30


bases para la correcta comprensin del trasfondo bioqumico de las mismas y

asegurar un uso adecuado de ellas.

Tabla 7. Matriz estequiomtrica del ASM3 [Gujer et al., 1999] Componente i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 j Proceso SO SI SS SNH SN2 SNO SHCO XI XS XH XSTO XA XTS

Expresado como

O2

DQO

DQO

N

N

N

Mol

DQO

DQO

DQO

DQO

DQO

DQO

1 Hidrlisis fSI x1 y1 z1 -1 -iXS Organismos Hetertrofos, Desnitrificacin

2 Almacenamiento aerbico de DQO

x2

-1

y2

z2

YSTO,O2

t2

3 Almacenamiento

anaerobio de DQO

-1

y3

-x3

x3

z3

YSTO,NO

t3 4 Crecimiento aerobio x4 y4 z4 1 1/YH,O2 t4

5 Crecimiento anaerobio

(desnitrificacin)

y5

-x5

x5

z5

1

1/YH,NO

t5


aerbica

x6

y6

z6

fI

-1

t6


anaerobia

y7

-x7

x7

z7

fI

-1

t7

8 Respiracin aerbica de

XSTO

x8

-1

t8

9 Respiracin anaerobia

de XSTO

-x9

x9

z9

-1

t9

Organismos Auttrofos, Nitrificacin 10 Nitrificacin x10 y10 1/Ya z10 1 t10


aerbica

x11

y11

z11

fI

-1

t11


anaerobia

y12

-x12

x12

z12

fI

-1

t12

Conviene mencionar que las ecuaciones expuestas se derivan del

modelado de sistemas de lodos activados que utilizan un reactor tipo mezcla

completa.

A pesar de que tericamente es posible llevar a cabo el tratamiento con

lodos activados en reactores de flujo pistn, las limitaciones encontradas en la

prctica para asegurar ese tipo de rgimen de flujo, hacen de los reactores de

mezcla completa una alternativa de ms fcil manejo en la construccin de

sistemas de lodos activados. Por esa razn, en esta seccin se considera

nicamente el modelado de este tipo de sistemas.

31


IV.3.1. Modelado para un Reactor Mezcla Completa con Reciclo para la Reduccin de Materia Carboncea[Orhon & Artan, 1994; Metcalf & Eddy, 1991; PETA]

Los principales parmetros de diseo y operacin de un sistema de lodos

activados con reciclo (figura 3) son:

a. La concentracin de sustrato en el efluente.

b. La cantidad de biomasa que se mantiene en el reactor.

c. El exceso de lodo generado.

d. La cantidad de oxgeno utilizado.

Q: Caudal de entrada. S1: Concentracin de sustrato a la entrada Qr: Caudal de lodo reciclado S: Concentracin de sustrato en el reactor y a la salida QW: Caudal de lodo retirado So: Concentracin de oxgeno disuelto V: Volumen del reactor X1: Concentracin de biomasa a la entrada X: Concentracin de biomasa en el reactor Xe: Concentracin de biomasa en el sobrenadante XR: Concentracin de biomasa a la salida del fondo del sedimentador

Q+Qr

Q S1 X1=0 S010

Q-QW

S, Xe=0

QW S, XR

S, XR Qr+QW

Q+Qr

S, X, S0

Qr S, XR

V S, X, S0

Figura 3. Diagrama Esquemtico de un Proceso de Lodos Activados[Orhon &

Artan, 1994]

La figura 3 muestra un sistema de lodos con reciclo convencional. Las

consideraciones principales que se adoptan para simplificar el modelado de un

sistema como ese son:

32


a. No ocurren reacciones bioqumicas en el sedimentador.

b. La biomasa que sale del tanque de sedimentacin es despreciable.

c. La corriente de entrada no contiene biomasa.

d. El volumen del sedimentador no se toma en cuenta para determinar el

tiempo de residencia de la biomasa en el sistema.

e. La concentracin de biomasa en el reactor se expresa en trminos de

los slidos suspendidos voltiles (SSV) medidos en el reactor.

IV.3.1.1. Sustrato en el Efluente: Un balance global de sustrato y biomasa en estado estacionario, aplicado a un sistema como el de la figura 3 produce:

SrVQSQSdtdSV 0 1 +== (Ec. 12)

XRWeW rVXQXQQdtdXV )(0 += (Ec. 13)

siendo:

XSK

SYdt

dSrS

S +== (Ec.14)

XKrYXKXSK

SdtdXr dSd

SX =+==

(Ec. 15)

donde:

Xe = concentracin de biomasa en el efluente [mg (SSV)/L]. XR = concentracin de biomasa en la corriente de reflujo

[mg (SSV)/L].

QW = caudal de retorno de lodo [L/da].

rX = tasa neta de crecimiento bacteriano [mg (biomasa)/Lda]. rS = tasa de sustrato utilizado [mg (sustrato)/Lda].

33


De las Ec. 7 y 14:

qXXSK

SY

XY

rS

S =+== (Ec. 17)

Combinando las Ec. 12 y 17 y reacomodando:

XSS

VXSSQq

h)()( 11 == (Ec. 18)

donde h es el tiempo de retencin hidrulico [da]. De esta forma, el parmetro q (tasa especfica de remocin de sustrato) brinda una relacin entre la cantidad de

sustrato removida por unidad de masa de microorganismos. A partir de all, se

puede calcular la eficiencia de la remocin de sustrato E [adimensional], como:

100*1

1

SSSE = (Ec. 19)

La eficiencia se relaciona con la tasa especfica de remocin de sustrato

mediante la siguiente ecuacin:

100)( EMFq = (Ec. 20)

siendo F/M la relacin sustrato-microorganismo [da-1], un factor clsico en el diseo de los sistemas de lodos activados, el cual se define como:

XVSQ

XS

MFh

== 11 (Ec. 21)

De las Ec. 13 y 15, y manteniendo la suposicin inicial de que no escapa

biomasa por el sedimentador (Xe0) se obtiene:

XRWdS

PXQKSK

SVX ==+ )( (Ec. 22)

donde PX se define como la produccin de lodo [mg (SSV)/da], es decir, la cantidad de lodo que debe ser retirada del sistema para mantener condiciones

estacionarias.

34


A partir de la Ec. 22, se define el parmetro X, llamado tiempo de residencia celular o edad del lodo [da], de la siguiente forma:

XX P

VX= (Ec. 23)

Tomando las Ec. 22 y 23:

dSX

KSK

S += 1 (Ec. 24)

En consecuencia:

)1()1(

XdX

XdS

KKKS

+

+= (Ec. 25)

S tambin puede expresarse en funcin de q:

qYqYKS S

= (Ec. 26)

o despejarse de las Ec. 19 a la 21, dado un valor de q F/M. No obstante, la ecuacin 25 se prefiere para determinar S, debido a que las otras ecuaciones dependen de la capacidad que tenga el valor de los slidos suspendidos voltiles

(SSV) para reflejar la biomasa activa. La suposicin de que la biomasa activa es

siempre una fraccin constante del total de slidos en el reactor no es exacta,

pues la relacin de slidos suspendidos voltiles no activos vara ampliamente

como funcin de la edad del lodo. Por tanto, el parmetro F/M, an siendo un parmetro clsico de uso comn, no es del todo preciso [Orhon & Artan, 1994].

Por otro lado, la Ec. 25 representa un resultado interesante desde el punto

de vista del diseo y modelado de sistemas de lodos activados. El hecho de que la

concentracin de sustrato en el efluente dependa solamente del tiempo de

retencin celular y de las variables cinticas, mas no de la concentracin del

afluente, implica que un incremento en la concentracin del afluente debe

35


reflejarse en otras variables del sistema. Sobre esto se discute, con mayor detalle,

ms adelante en esta seccin.

IV.3.1.2. Cantidad de Biomasa en el Reactor: La cantidad de biomasa contenida en el reactor, llamada X [mg SSV/l], se puede calcular combinando las Ec. 12, 14 y 24, obteniendo:

h

X

XdKSSYX

)1(

)( 1+

= (Ec. 27)

El parmetro X tambin puede ser expresado en funcin del coeficiente de productividad observado. Dicho coeficiente, llamado Yobs [mg SSV/mg DBO removida], representa el coeficiente de productividad cuando se consideran los

efectos de la respiracin endgena:

Xdobs K

YY += 1 (Ec. 28)

por tanto:

h

Xobs SSYX

)( 1 = (Ec. 29)

IV.3.1.3. Produccin de Lodo: La produccin de lodo tambin puede expresarse en trminos similares a los anteriores. De Ec. 23:

XX

XVP = (Ec. 30)

Combinando la ecuacin anterior con Ec. 29:

)()( 11 SSQYPSSYVP obsX

H

Xobs

XX ==

(Ec. 31)

De forma similar, con la Ec. 27, se tiene:

36


)(1 1

SSQKYP

XdX += (Ec. 32)

Otros desarrollos de las Ec. 27 y 30 conducen a:

XVKSSQYP dX )( 1 = (Ec. 33)

IV.3.1.4. Requerimientos de Oxgeno: Para conocer el requerimiento terico de oxgeno, se necesita conocer la cantidad de sustrato removido en el sistema, y la

cantidad de microorganismos que se desechan como lodo en el sedimentador.

Debido a que la DBOU en la entrada y salida del sistema indica la cantidad de

oxgeno utilizado por los microorganismos en la estabilizacin de la materia

orgnica, restando la materia orgnica retirada en el sedimentador, con la

equival orrespondiente en DBO, se puede conocer la cantidad de oxgeno

que req

L

C

L

160/113

clulas

S

quedan

encia cuiere el sistema para operar.

a equivalencia mencionada se obtiene mediante un balance de materia:

5H7NO2 (frmula emprica de la biomasa) + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3

PM=160 PM=113

a relacin masa molecular de oxgeno por masa molecular de clulas es

=1.42 (mg/L de clulas desechadas), lo cual equivale a la DBOU de las

, luego, el requerimiento de oxgeno OR [Kg O2/da]:

XPfSSQOR 42.1)( 1 = (Ec. 34)

i se sustituye PX de la Ec. 31:

)(42.11 1 SSQYfOR obs

= (Ec. 35)

do:

37


= obsYfSSQ

OR 42.11)( 1

(Ec. 36)

lo cual define la relacin entre el oxgeno utilizado y la DBO5 removida.

IV.3.1.5. Relacin de Reciclo: Otro parmetro significativo en el modelado de lodos activados es la relacin entre la cantidad de lodos reciclados, QR, y el caudal de entrada, Q, la cual se expresa como:

QQR R= (Ec. 37)

El parmetro R, conocido como relacin de reciclo [adimensional], puede ser definido sobre la base de un balance de masa alrededor del tanque de

sedimentacin, resultando despus de algunas manipulaciones, la siguiente

expresin:

XXRR R

hX

+=

1

(Ec. 38)

y

1

1

=

XX

RR

X

h

(Ec. 39)

IV.3.1.6. Relacin entre las Variables Involucradas en el Proceso de Lodos Activados: Anteriormente se mencion que la Ec. 25 y 26 llama la atencin, pues establece que la concentracin de sustrato en el efluente depende solamente del

tiempo de retencin celular (adems de las constantes cinticas) y no de la

concentracin de sustrato en el afluente. Especficamente, la ecuacin indica que

el sustrato a la salida diminuye a medida que la edad del lodo aumenta. Orhon y

Artan, 1994, sealan que esto es posible debido a que el sistema apunta,

mediante un mecanismo de auto ajuste, hacia un aumento de la concentracin de

38


biomasa en el reactor a medida que el sustrato en la entrada aumenta. En otras

palabras, en un sistema biolgico de esta clase los aumentos en la concentracin

de sustrato son amortiguados con la transformacin del mismo en biomasa,

mantenindose constante el sustrato a la salida.

Para ilustrar esto, se presentan a continuacin un grupo de grficas con los

valores de sustrato a la salida del sistema, biomasa en el reactor, produccin de

lodo y oxgeno requerido (figuras 4, 5, 6 y 7) para tres valores distintos de

concentracin de sustrato en el afluente (S1), en funcin del tiempo de residencia celular. Las mismas se construyeron a partir de los valores de la tabla 8,

generados con los datos de la tabla 9, los cuales corresponden a un ejemplo tpico

de sistemas biolgicos de lodos activados.

Tabla 8. Variacin de los parmetros de un sistema de lodos activados en funcin del tiempo de residencia celular

X (gr/L) Px (Kg/da) OR (Kg O2/da) X

(da)

S (mg

DBO/ L)

(d-1) S1 =

200 mg DBO/L

S1 = 300 mg DBO/L

S1 = 400 mg DBO/L

S1 = 200 mg DBO/L

S1 = 300 mg DBO/L

S1 = 400 mg DBO/L

Yobs g SSV/ g DBO

S1 = 200 mg DBO/L

S1 = 300 mg DBO/L

S1 = 400 mg DBO/L

1 90.21 1.06 0.21 0.40 0.58 621 1187 1754 0.5660 1078 2060 3042 2 31.11 0.56 0.60 0.96 1.32 1810 2881 3952 0.5357 1731 2756 3781 3 19.59 0.39 0.92 1.43 1.93 2752 4278 5803 0.5085 1919 2983 4046 4 14.67 0.31 1.20 1.84 2.49 3587 5522 7458 0.4839 2036 3135 4233 5 11.95 0.26 1.447 2.22 2.98 4340 6647 8955 0.4615 2126 3256 4386

Modelado de Lodos Activados en Estado Estacionario

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