CAPITULO 3. TRABAJO EXPERIMENTAL
3.3 TRABAJO EN LABORATORIO
3.3.3 DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO
Siguiendo el método ASCE las pruebas se realizaron con agua potable, y afluente pretratado de la PTAS del aeropuerto. Para la desoxigenación se utilizaron bisulfito de sodio y cloruro de cobalto hexahidratado como catalizador, obteniéndose así un kLa para el sistema de aireación, operando con estos dos
Procedimiento
1. Se carga cada estanque del reactor con un volumen definido de agua potable, para esta prueba el volumen conveniente se estipuló de dos litros; con respecto a la aireación la bomba se uso en modo bajo y alto.
2. Es conveniente en la prueba de medición de DO versus tiempo, airear el agua hasta llegar a nivel de saturación. Esto se realiza para obtener la máxima concentración de DO que es capaz de mantener el agua, con el fin de determinar la masa de bisulfito necesaria para la desoxigenación.
3. Siguiendo la metodología ASCE, se comienza la prueba con la desoxigenación del agua, la que se logra adicionando bisulfito de sodio (Na2SO3), de acuerdo a la siguiente relación estequiométrica:
7.9 mg Na2SO3por cada mg/L DO, con un exceso del 40%
Como la máxima concentración de DO alcanzada en el agua potable fue de 9 ppm a 20º C, la masa de bisulfito utilizada resultó de:
(7.9 mg Na2SO3* 9 mg/L DO) + (7.9 mg Na2SO3 * 9 mg/L DO) * 0.4 = 99.54 mg
Para que el cobalto actúe como acelerador de la reacción de desoxigenación, debe encontrarse en una concentración de 1.5 mg/L en el agua a usar. Como el cobalto se encontraba como cloruro de cobalto hexahidratado, se procedió a realizar los cálculos necesarios para determinar la cantidad de compuesto a utilizar, el cálculo se realiza en función de los pesos atómicos de los elementos del compuesto.
Cl = 35.5 g/mol H2O = 18 g/mol
CoCl2+ 6 H2O = 237.93 g/mol
Co = 58.93 g/mol
Mediante la siguiente relación se determina el porcentaje en peso del cobalto en el compuesto:
% peso de Co en CoCl2+ 6H2O = 58.93 = 0.2476 = 24.76%
Como la concentración de cobalto deseada en cada estanque es de 1.5 mg/L, y en cada estanque hay 2 L de agua, entonces la masa del compuesto necesaria para alcanzar una concentración de 3mg/L de cobalto se obtiene de la siguiente manera:
1 g CoCl2+ 6H2O --- 0.2476 mg Co
X --- 3.0 mg Co
X = 12.11 mg de CoCl2* 6H2O
Por lo tanto, en cada estanque se adicionaron 0.012 g del compuesto y 0.9954 g de Na2SO3.
Determinadas las cantidades de reactivos necesarios para la desoxigenación del agua potable, cargado cada estanque con los dos litros respectivamente y medida la temperatura del agua, se vierten los reactivos agitando suavemente sólo para que ambos reaccionen. En este momento se inmersa la sonda que mide la concentración de DO. Se espera que la concentración de DO llegue a 0 mg/L, ese instante se considera como tiempo 0 y de ahí en adelante se enciende la bomba y se reairean los estanques, midiendo concentración de DO cada cierto tiempo. En el anexo se presentan las tablas de datos para tiempo versus DO (Protocolos Nº 3 y 5).
A partir de los datos de DO versus tiempo obtenidos y de la ecuación de balance de masas para el reactor, es posible determinar k La. El planteamiento
del balance es:
( ) ( ) dt C V d V C Q Co Q⋅ − ⋅ +kLa C*-C ⋅ = ⋅ (3.1) Donde,
Q: caudal del sistema Co: concentración afluente C: concentración efluente
C*: máxima concentración teórica de oxigeno saturado a la temperatura del agua en los estanques
V : volumen
Considerando:
1. Que no hay entrada ni salida de agua en el reactor los términos Q*Co y Q*C son iguales a cero.
2. Al ser el volumen constante durante toda la prueba, éste sale de la derivada adquiriendo un valor constante. Los volúmenes de la ecuación se simplifican.
De esta forma el balance queda:
t C C) - * (C kLa d d = (3.2) C - * C C t kLa⋅d = d / ∫
Resolviendo la integral para dt entre t = 0 y t =T (tiempo donde el DO es má ximo) y para dC entre Co = 0 y Co = C (máxima real DO en agua), bajo las siguientes condiciones: kL = constante, t = constante y C* = constante; la
ecuación de balance queda:
C) - * (C ln C) - * (C ln - T kLa⋅ = + (3.3)
Graficando ln (C* - C) versus tiempo, se obtiene una recta. El valor de C* según literatura a la temperatura de trabajo (20º C) es de 9 ppm. La pendiente del gráfico corresponde a k La.
Además del agua potable, se utilizó afluente pretratado para realizar las mismas pruebas y determinar así el k La para este tipo de agua. El procedimiento
empleado es similar al utilizado con el agua potable, sin embargo sólo difiere en la cantidad de masa de bisulfito necesaria.
Como se mencionó anteriormente el agua en un comienzo fue sometida a una intensa aireación con el fin de conocer la máxima concentración de DO, para calcular la masa de bisulfito necesaria para la desoxigenación. En el caso del afluente, se pudo apreciar que el DO máximo alcanzado resultó ser inferior al del agua potable, obteniéndose un valor máximo de 8.2 ppm, mientras que en el agua potable se alcanzó una concentración de 9 ppm. Los datos se muestran en el Protocolo Nº 10 del anexo.
3.3.4 DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS CINÉTICOS
Una vez calculados los coeficientes de transferencia de oxígeno para agua potable y afluente pretratado respectivamente, se comienzan las pruebas para determinar algunos parámetros cinéticos. Para ello se trabajó con reciclo
(biomasa aclimatada y licor de mezcla provenientes del estanque clarificador), de la planta de tratamiento del aeropuerto, durante 24 horas ( ∆t = 1 día). Las muestras se tomaron de las canaletas que conducen al reciclo desde el estanque clarificador hasta la entrada del estanque de aireación, junto al afluente pretratado.
Las pruebas se realizaron en los cuatro estanques del reactor. Cada uno de ellos fue cargado con diferentes volúmenes de reciclo diluidos en afluente pretratado, debiéndose completar dos litros de dilución en cada estanque.
La distribución de reciclo y afluente en cada estanque fue:
• Estanque 1: 2 L de reciclo puro
• Estanque 2: 1.5 L de reciclo más 0.5 L de afluente
• Estanque 3: 1 L de reciclo más 1 L de afluente
• Estanque 4: 0.5 L de reciclo más 1.5 L de afluente
Antes de calcular los parámetros cinéticos se deben realizar otras actividades como:
a) Caracterización de sólidos en t = 0 y t = 24 horas, para cada estanque con la dilución perfectamente mezclada:
El procedimiento para realizar la prueba de sólidos es el siguiente:
1º se secan los papeles filtro (dentro de los recipientes metálicos), en una estufa de secado a 150º C por una hora. Luego se retiran de la estufa y se dejan en el desecador durante veinte minutos, posterior a eso, se pesa cada papel filtro registrándose el valor para cada estanque (Peso 1).
2º Una vez determinada la primera serie de pesos, se toma una muestra de 25 mL de la dilución presente en cada estanque y se filtra al vacío. Cada recipiente es llevado nuevamente a la estufa de secado a 150º C durante una hora. Se repite el procedimiento anterior y se obtiene la segunda serie de pesos para cada estanque respectivamente (Peso 2).
3º A continuación el recipiente es llevado a horno mufla a 550º C durante quince minutos. Luego se deja en la secadora veinte minutos y se procede a pesar por última vez, obteniéndose la tercera serie de pesos para cada estanque (Peso 3).
4º Los sólidos suspendidos totales (SST) se calculan de la siguiente forma:
mg de SST = (Peso 2 – Peso 1) * 1000 / mL de muestra (3.4)
5º Los sólidos suspendidos fijos (SSNV) se determinan de la siguiente forma:
mg de SSNV = (Peso 3 – Peso 1) * 1000 / mL de muestra (3.5)
6º Los sólidos suspendidos volátiles (SSV) se calculan de la siguiente forma:
SSV = SST - SSNV (3.6)
7º El porcentaje de volatilización se determina de la siguiente forma:
% V = SSV * 100 (3.7)
SST
De esta forma se han determinado SST, SSNV y SSV para cada dilución. Al inicio (t = 0 horas) y término de la prueba (t = 24 horas). Los resultados se muestran en los Protocolos Nº 12 y 13 del anexo.
b) DQO:
El valor de la DQO es necesario de determinar al comienzo y término de la prueba, esto es en t = 0 horas y t = 24 horas. Es importante recalcar que los tubos con las muestras se enviaron a un laboratorio externo.
La muestra tomada corresponde a 2 mL del clarificado de cada estanque, esto es, dilución sobrenadante. Para conseguir el clarificado fue necesario dejar de airear el sistema para que se produjera la sedimentación.
Los valores de DQO inicial y final para cada estanque se presentan en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Valores de DQO
Estanque Contenido (L) DQO inicial (mg/L) DQO final (mg/L)
1 2 de reciclo puro 120 110
2 1.5 reciclo + 0.5 aflu 184.75 122.5 3 1.0 reciclo + 1.0 aflu 249.5 120 4 0.5 reciclo + 1.5 aflu 314.25 155
aflu: afluente pretratado proveniente de la cámara de rejas Referencia: Elaboración Propia
Determinación de parámetros cinéticos:
a) Cálculo de k d e Y:
k d e Y son dos parámetros cinéticos que representan el coeficiente de muerte
de biomasa y coeficiente de rendimiento de eliminación respectivamente. Para determinarlos es necesario recurrir al balance de masa que relaciona biomasa y sustrato dentro de un rector Batch. El balance conjunto es el siguiente:
X X kd dt dS Y dt dX 1 / ⋅ ⋅ − ⋅ = (3.8) kd dt dS X Y dt dX X − ⋅ = ⋅ 1
Es posible aproximar la diferencial a un cambio (∆) de concentración dentro de un cierto intervalo de tiempo, fijado en días. De esta manera, al realizar la prueba durante 1 día, la ecuación anterior queda:
kd Xprom S t Y t Xprom X ⋅ ∆ − ∆ = ∆ ⋅ ∆ 1 (3.9)
Donde,
2 1 X Xo
Xprom= + , representa el cambio en la concentración de (3.10)
biomasa dentro del intervalo de tiempo de la prueba.
Xo X X = − ∆ 1 (3.11) So S S = − ∆ 1 (3.12)
X: biomasa representada por el valor de SSV en cada estanque, en mg/L S: sustrato representado por el valor de DQO, en mg/L
∆t : tiempo entre el inicio y el término de la prueba, en días Y : rendimiento en eliminación de sustrato
k d : coeficiente de muerte de biomasa, (días-1)
Xo : corresponde al valor de SSV al comienzo de la prueba (t = 0 horas) (SSVi)
X1: corresponde al valor de SSV al término de la prueba (t = 24 horas) (SSVf)
So: corresponde al valor de DQO inicial (t = 0 horas) (DQOi)
S1: corresponde al valor de DQO final (t = 24 horas) (DQOf)
Graficando ∆X/Xprom versus ∆S/Xprom se obtiene una recta cuya pendiente es Y , y el intercepto corresponde a k d .