IZTAPALAPA
<lCENClATURA EN INGENIERíA QUíMICA
LABORATORIO
DE
PROCESOS Y
DISEÑO
EQUIPO 6
'/CASTRO MEDRAN0 ERNESTINA
LÓPEZ
CUEVAS PATRICIA
ASESOR
DR. RICHARD S. RUÍZ
M.
OBJETIVOS
INTRODUCCI~N I .GENERAUDADES
1.1. Generalidades del tratamiento biológico 1 .2.Tipos de tratamiento
1.3. Reactores biológicos
2.GENERALIDADES DE LA DIGESTIóN ANAEROBIA 2.1 .La digestión anaerobia en aguas residuales
10
3.REACTORES DE LECHO FLUlDlZADO 3. I .Antecedentes
3.2.Hidrodinámica de los reactores de lecho fluidizado 14
3.3.Arranque y operación de lechos fluidizados 16
3.4.Ventajas y desventajas de los lechos fluidizados
4.MATERlALES Y MÉTODOS 4.1 .Inóculos
4.2.Soporte
4.3.Reactor tubular
4.4.Análisis hidrodinámico 4.5.Arranque y estabilidad 4.6.Análisis
5.2. pH
5.3. Cinética de degradación de materia orgánica 6.CONCLUSIONES
.APÉNDICE A
A. I .Determinación de parámetros fisicoquímicos A. 1. I .S6lidos totales , fijos y volátiles
A. 1.1 .Alcalinidad
A. I .2.Demanda química de oxígeno
A. 1.3.Tiempo de retención de hidráulica (TRH) 34
APÉNDICE B
B. 1 .Eficiencia de remoción de carga orgánica 8.2. Determinacibn de b i o k s a inmoviliZ;ada
30
31
32
33
33
33
33
33
35
OBJETlVBS
Objetivo general
9 Realizar la experimentaci6n relacionada con la operacibn de un reactor biológico a nivel planta piloto,
Objetivos particulares
Selección el tipo de reactor biológico (Batch
o
continuo).Análisis del sistema (aerobio ó anaerobio).
Arranque y estabilidad del reactor biológico.
Determinaci6n de la hidrodinhmica.
Definición de las condiciones optimas de operaci6n del reactor (flujo
volumMco, velocidad de alimentación, temperatura, tasa de recirculación, pH, etc.)
lNTRODUCClON
El desarrollo industrial que surgió después de la segunda guerra, generó una diversidad de residuos industriales que era necesario tratar para recuperar
subproductos y disminuir la contaminación del agua, esto propicio el desarrollo
de
losprocesos fisicoquímicos y biológicos.
Cualquier sistema de tratamiento de aguas residuales, STAR, requiere de un tratamiento preliminar, y a veces, de tratamiento primario. Por tratamiento preliminar
se entiende la remoción de sólidos gruesos flotantes y arenas y la preparación del agua residual, AR, para el tratamiento secundario. Estos sistemas preparatorios
tienen poca eficiencia en términos de remoción de sblidos suspendidos,
SS,
demanda bioquimica de oxígeno, DBO y demanda química de oxigeno, DQO, pero son absolutamente necesarios para la correcta operación del tratamiento secundario.En este sentido, una de las etapas más importantes de la planta de tratamiento es el reactor biol6gico, al utilizarlo estamos realizando un tratamiento secundario, el cual es un proceso complementario de Is depuracibn de las aguas residuales que agrupa los procesos y operaciones unitarias, capaces de eliminar los sólidos y
materia orgirnica en estado coloidal o disuelta hasta de un 80 y 95 por ciento. El tratamiento de agua residual, TAR, se ha venido desarrollando para
diferentes tecnologías, como: (i) reactor de contacto, RC; (ii) reactor de lecho fijo descendente, RLFD; (iii) reactor de flujo ascendente, RGA; (iv) reactor de lecho fluidizado, RLF y (v) reactor hibrido, RH; en tanto que pueden trabajar en
condiciones: aerobias
o
anaerobias dependiendo de las necesidades en cada C ~ S O .3
En el capitulo 1 se muestra los antecedentes de tratamiento biológico, tipos de tratamiento, ventajas y desventajas de los procesos aerobios y anerobios. En el capitulo 2 se hace una revisión de los antecedentes de RLF, así como la hidrodinámica de los reactores de lecho fluidizado, incluyendo arranque y operación, así como ventajas y desventajas del mismo. Eí capitulo 3 cubre todos aquellos aspectos relacionados con la experimentación, materiales y metodos empleados para cubrir los objetivos de este trabajo. En el capitulo 4 se presentan tabtas y gráficas de los resultados obtenidos en el desarrollo tanto experimental como teórico.
f.
GENERALIDADES
7.7Generalidades
del
tratamiento bioldgicoEl tratamiento biológico se lleva a cabo por la transferencia de
la
materia orgdnica del agua residual hacia la película o flóculo (biomasa), por contactointerfacial, adsorción y absorciones asociadas. La materia orgánica es utilizada por
los microorganismos para su metabolismo y generaci6n de dlulas nuevas, las células viejas mueren deslavándose y precipithdose
al
fondo.En los sistemas bioltrgicos, 'se tienen complejas poblaciones de
microorganismos mezcladas e interrelacionadas, en las que cada
uno
de ellos tiene su propia curva de crecimiento, lo cual depende de las condiciones del sistema, pH temperatura, aireacióno
anaerobiosis y disposición de nutrientes.Figura 1. Curva de crecimiento de microorganismos.
En la figura 1 se ilustra la variación con respecto al tiempo de algunos
microorganismos predominantes en un agua residual en un sistema de tratamiento biológico.
La eficiencia de los procesos biológicos depende de las características de las aguas residuales, condiciones ambientales del sistema y tipo de microorganismos.
Es importante conocer si el agua residual a tratar por medios biológicos contiene compuestos químicos tóxicos que pueden ser inhibitorios para el
crecimiento de los microorganismos, en tal caso, se podría hacer un pretratamiento para su eliminación o mejor cambiar a un tratamiento fisicoquímico.
1.2.Tipos de tratamiento.
Estos procesos se clasifican de acuerdo a la dependencia del oxígeno por los
microorganismos utilizados en la biodegradación de la materia orgánica en:
a)Trafamientos aerobios. Se lleva a cabo por microorganismos aerobios y/o facultativos es decir, que se desarrollan en presencia de oxígeno, degradando la
materia orgánica en compuestos más estables. Este proceso se puede expresar de la siguiente forma:
Materia
+
Microorganismos biomasa+ CO2
+ Energía Orgánica aerobios y/ofacultativos
b)Tratamientos anaerobios. El tratamiento anaerobio de las aguas residuales, es un proceso mediante el cual es degradada la materia orgánica y/o inorgánica por medio de microorganismos, principalmente bacterias en ausencia de oxígeno
Este sistema degrada
con
mayor eficiencia la materia orghnica, produciendo una mezcla degas,
ilamada biogas, compuesta de metano (60-70 %), bióxido de carbono(30-40
%) y trazas de h i d o sulfhídrico e hidrbgeno.Este proceso ocurre en forma natural en los pantanos y
en el fondo de
laslagunas y iagos, donde no hay oxigenacibn.
La biodegradación de la materia organica
en
forma anaerobia se puede resumirde
la siguiente manera:Microorganismos
Materia orgsnica
"----+
biomasa+
COZ
+
CH4+ Hz01.2. l.
Ventajas
y desventajas de los tratamientos aembios y anaembios.Es necesario realizar un análisis, con el cual se pretende obtener por simple comparación, el tratamiento m6s adecuado para implementarlo junto con et reactor seleccionado.
En la tabla 1
,
se puede ver que el tratamiento anaerobio ofrece mayores ventajas sobreel
aerobio, debido, no sólo a la baja inversión en cuantoa
recursos monetarios, sino tambibn en materia ambiental, ya que se puede controlar con mayor facilidad la produccibn tanto de biomasa como de biogas, reduciendo de esta formaTabla l. Análisis de ventajas y desventajas de
los
tratamientos aerobios y anaerobios. Aerobio-
L. AnaerobioTiempos de residencia muy pequefios.
Arranque y estabilidad en poco tiempo.
Baja producción de Iodos .esiduales.
Produccibn de biogas, el
x a l puede ser utilizado como combustible. Baja demanda de
nutrientes (fósforo y
nitr&geno).
Lodos residuales estables.
Gran producción de biomasa.
Deterioro de la actividad de la biomasa
a
lo largo del tiempo.Requiere grandes
cantidades de energía para la aireación.
Necesita una cantidad mayor de nutrientes.
No produce metano. Menor % de remoción. Períodos relativamente largos para estabilizar el sistema al principio.
Largos períodos de tiempo de retención (3-1
O
días).Los distintos tipos de reactores (Figura. 2) se discuten mejor tomando como
l . El reactor intermitente (RI);
2.
El
reactor continuo de tanque agitado (RCTA);3. El reactor tubular (RT);'
4. El reactor de lecho fluidizado (RLF)
La
necesidad de mantener un cultivo estable causa un efecto importante en el desarrollo de estas configuraciones para sistemas microbiológicos.La principal influencia en el modo de operar de los reactores microbioltjgicos deriva de las propiedades físicas de los propios microorganismos. En condiciones normales los microorganismos contienen una cantidad de agua considerable
(60-
95%) y, en consecuencia, tienen una densidad
s6lo
ligeramente diferentede
la del agua. Se requiere pues un empuje hidrodinárnico muy pequefío para mantenerlosen
suspensión, con el resultado de que si un fluido circundante estáen
un estado de suave agitaciónlos
microorganismos estarán en suspensión.Una disposición lógica es un reactor de mezcla total, en el que
el
movimiento del líquido es inducido por agitaci6n mecánica, por la evotución de un gas como producto bioquímico, o por aire burbujeando por todo el medio.Puesto que las conversiones bioquímicas no se alcanzan en ausencia de
microorganismos se comprende que at utilizar los microorganismos suspendidos en un reactor continuo habrá que evitar el que éstos sean arrastrados con la corriente de salida. Los caudales a utilizar en
un
reactor continuo de tanque agitado están limitados como resultados de este fenómeno y los reactores tubulares, con f l h l o s suspendidos, no pueden funcionar sin un aporte constante de microorganismos en la corriente de entrada. Una respuesta alternativa al último problema es el reactor de lecho fluidizado,que
es un híbrido entre el reactor de tanque agitado y el reactor1
tubular, en el que las partículas son suspendidas por la corriente líquida que circula
en dirección ascendente y las fuerzas gravitacionales evitan que sean arrastradas*.
Figura 2. Principales configuraciones de bioreactores.
Fer- ikcdhw (FD)
+ Proclrcto
"""" "-
i
2
2. Generalidades de la digestidn anaerobia.
El tratamiento biológico de aguas residuales por vía anaerobia se ha extendido en México desde 1987 debido a la Legislación Ambiental promulga por e1
Gobierno Federal para el tratamiento de desechos. En 1997 se trataban del 30 al 35% de las aguas municipales, lo cual, muestra una falta de capacidad para el
tratamiento, este aspecto abre la posibilidad para la introducción de sistemas de bajo costo, con tecnologías avanzadas y capaces de tratar varios tipos de efluentes, como son los digestores anaerobios. De estos, actualmente se tienen 75 reactores de lecho de Iodos de flujo ascendente (UASB) tratando el 0.57% de las aguas residuales totales generadas y 3.4% de las aguas tratadas. En México el 43.5% de los reactores anaerobios se utiliza para el tratamiento de aguas negras3
A pesar de la complejidad microbiológica de este proceso, es ampliamente conocido el hecho de que los microorganismos involucrados en la digestión anaerobia son capaces de agruparse en consorcios bacterianos complejos y
degradar sintróficamente los contaminantes disponibles en las aguas. 2.7 La digesti<)n anaerobia en aguas residuales
La degradación anaerobia de materia orgánica es un proceso que involucra varias vías metabólicas y que se llevan cabo en la ausencia de oxígeno, nitrato y sulfato como aceptores de electrones.
Se realiza a través de tres pasos en serie que incluyen la hidrólisis de compuestos orgánicos complejos y de alto peso molecular disueltos en el agua
residual como proteínas, carbohidratos, lípidos y compuestos aromáticos o amídicos, por medio de enzimas extracelulares. Posteriormente, a partir de la fermentación de las moléculas pequeñas formadas en el paso anterior, se obtendrán piruvato,
succinato, lactato y etanol así corno ácidos grasos volátiles como el formato, acetato, propionato, n- e iso-butirato y en algunas ocasiones n e iso-valerato y
2 2 5 9 8 8
ácidos como el propionato y
el
butirato serán transformados a acetato, Hz y Con, por oxidación anaerobiade
acuerdoa
las
reacciones 1 y2.
El
acetato, $8 transforma en la tercera y última etapaa
metano, quees
elproducto final en este proceso, como se muestra en la ecuacidn 3. A partir de este sustrato se formara aproximadamente dos terceras partes del metano total,
ya
quees
el principal precursor dela
metanogenésis en reactores anaerobios. 4*CH3CH2COO- + Hz0 CH4 + HCOC + 0.SATP (3)
El H2 y COZ en una reacción de oxido-reduccibn, formaran
la
tercera parte restante del metano, como se muestra enla
siguiente ecuaci6n.4H2 HCo-3 + H' CHs + 3H@ + ATP (4)
3 Monroy
et al.
Figura 3. Etapas y vías metabólicas de la digestión anaerobia.
.
J
En este esquema de metabolismo anaerobio intervienen grupos tróficos de bacterias que viven en interdependencia mutua formando consorcios bacterianos. Este PrOCeSo, descrito en la Figura 3,
es
en general lento y depende de varios factores, tales como pH, temperatura y concentración de materia orgánica.Adicionalmente,
los
tiempos de retenci6n celular en digestores anaerobios son prolongados, debido a la baja tasa de crecimiento delos
microorganismos rnetanogénicos.Los microorganismos que forman un consorcio metanogénico comprenden tres grupos de bacterias, las primeras son bacterias hidrolíticas fermentadoras de
carbohidratos simples y poliméricos, así como bacterias proteolíticas y lipolíticas, facultativas y bacterias acidogénicas que utilizan los sustratos provenientes de la primera etapa para producir &idos grams volátiles. Las segundas son las bacterias homoacetogénicas y las acetogénicas productoras obligadas de hidrbgeno, que aí oxidar los ácidos de más de dos carbonos producen además de ácid0 adtico, hidrógeno, que será removido en la siguiente etapa por las bacterias metanogénicas hidrogenótrofas que
lo
utilizan para reducir el COZ y producir una tercera parte delCH4. Esta relación se conoce como “transferencia de hidrógeno entre especies”’.
6 Bryant et al.,
3.
REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO
3. l. Antecedentes
El reactor de lecho fluidizado (RLF) para el tratamiento de aguas residuales, es un prototipo que se ha utilizado recientemente debido a las ventajas que presenta sobre otros sistemas. Hasta 1990 se tenían 65 reactores comerciales con soporte en Estados Unidos y Europa.
Una de las compañías más interesadas en
los
lechos fluidificados para el tratamiento de desechos ha sido General Motor Corporation, particularmente para la remoción de compuestos orgánicos volátiles provenientes de la pintura automotriz de las plantas de ensamblado, así como de las aguas residuales de las plantasmetalúrgicas. Finalmente se ha extendido a plantas de alimentos, cervecerías, químicas y petr~quimicas~.
Los soportes utilizados han sido arena, arcillas, perlas de vidrio poroso, tierra de diatomeas, además de soportes más ligeros como el poliuretano y el PVC (la densidad aparente de éstos se encuentra entre 1 .I yl.2 kg/m3), que se han diseñado específicamente para estos sistemas con el objeto de reducir
los
gastos de fluidización:3.2. Hidrodindmica de los reactores de lecho fluidizado.
Estos sistemas consisten de reactores de dos o tres fases (sólido
-
líquido, sólido-
gas y líquido-
sólido-
gas), en las que el lecho de partículas de soporte se expanden con una corriente de líquido y/o de gas, de tal forma que las partículassiempre se encuentran suspendidas y no tienen
una
posiciCIn fija en el lecho, pero se mueven fdcilmente en los alrededores y cada una tiende a permanecer localizada dentro de un pequeño volumen de la cama. 8*9En
el sistema s6lido-
líquido de flujo ascendente (es la fluidificación trGtdiciona1)se usan soportes
mas
pesados que el agua, por la que se requieren altas velocidadesde
líquido para alcanzar la fluidificación.Cuando las velocidades
de
liquido aplicadas son bajas, se obtiene un lecho fijo,si estas aumentan se obtendrh un lecho expandido y posteriormente un lecho
fluidificado, como se muestra en la figura 4.
En este
caso
se alcanzan las condiciones de fluidificaci6n partículada y el lechose expande suavemente sin la turbulencia conocida como fluidificacibn agregativa o de arrastre, que se presenta cuando el flujo arrastra una estela
de
partículas de tamaño pequefio que salen del lecho.'oFigura 4. Estado de transición de lechos.
I r
.
0 . 1*
Hewe y Hamemo&, 1983Kunii y Levenspiel, 1991
3.3 Arranque y operacidn
de
lechos fluidizadosEn general, durante el arranque de RLF se inoculan con Iodos de alta actividad metanogénica y contenido de sólidos volhtiles. La inoculación se hace adicionando 30 a 60% en volumen y el reactor se cierra durante varios dias o semanas, para permitir que las bacterias inoculadas estén en contacto con el soporte el mayor
tiempo posible.
Otra estrategia es inocular el reactor continuamente con sobrenadante de
digestores anaerobios junto con el agua residual a tratar y aparentemente el tiempo de arranque disminuyen, pero para reactores de gran escala no es practico por 10s
grandes volúmenes de sobrenandante requeridos“.
Las dimensiones clásicas de los RLF o la relación UD, varia de 20 a 30 veces, para evitar el arrastre de partículas fuera de la zona de fluidización, es decir, la
longitud del reactor contempla una zona de “desenganche” de partículas. Esta se caracteriza actualmente por el ensanchamiento en el diámetro de la columna, que permite que las partículas disminuyan su velocidad terminal y regresan al lecho, lo que ha permitido reducir esta relación, economizando en la inversión de la
construcción, así
corno
el uso de soportes menos pesados.La expansidn del lecho esta controlada por la velocidad vertical del fluido y para lechos fluidizados se considera que debe de estar entre 30 a 50%, pero puede alcanzar hasta un
100%.
Ya que en los lechos fluidizados se utilizan tiempos de retención cortos, la expansión del lecho se obtendrh con una alta tasa derecirculación, que permitir4 el uso de velocidades superficiates de líquido de I O a
30
mlh en lechos ascendentes. La velocidad de sedimentación de las partículas
utilizadas como soportes en este MSO, que puede ser de 150 a 300 mlh, influye también en la magnitud de las velocidades necesarias para la expansión.
En el caso de lechos ascendentes, las velocidades pueden variar de
2
a 12 m/h y en la literatura no está reportado el valor de la fuerza de flotación de muchos de lossoportes utilizados.
De acuerdo a las relaciones UD que se usan, se pueden alcanzar capacidades de tratamiento más altas que en otros reactores, desde 20 a
1 0 0
Kg DQO/ m3-d enequipos muy compactos 12 13 1415
Los perfiles de aplicación de carga que se han utilizado durante
el
arranque para estos reactores son dos:Q El primero conocido como el perfil de maxima eficiencia en el que se aplica una carga orgánica baja de 1 kg/m3.d y una carga de 0.1 Kg de DQO/
Kg S.S.V. diarios con un tiempo de residencia de 1 día. La carga se duplica
cuando se ha alcanzado la m&ima eficiencia.
Q La segunda estrategia es conocida
como
el máximo perfil de carga enel que se aplican altas cargas orgánicas, considerando la carga mdsica que et reactor puede tolerar, con un tiempo de retencibn de 1 día. La carga se aumenta nuevamente aún cuando el nivel de remoci6n sea bajo (de 1500 a
200
mg/L de Bcidos grasos en el efluente). En este caso se adiciona álcali para controlar la acidificación del reactor por sobrecarga, por
lo
que este tipo dearranque es más costoso.
3.4 Ventajas y desventajas de los lechos fluidizados.
La principal ventaja que presenta es la reducción en el tamaAo del reactor debido a la alta eficiencia volumétrica asociada con el desarrollo de una alta
l 2 Heme y Harremoes, 1983
I3 Heijnen et al. , I989
l 4 Ehlinher, 1994
concentración de biomasa en el soporte16. También presenta algunas ventajas con respecto a los reactores convencionales de biomasa suspendidos tales como:
a) Los esfuerzos altos debido a la fluidización por fricción con el líquido o
fricción dinámica entre partículas, seleccionan biopeliculas compactas y
delgadas. En el
caso
de reactores anaerobios las biopeliculas estarán dominadas por bacteria metanogénicas debido a la acidogénia preferencia en las capas periféricas.b) Tienen alta capacidad de depuraci6n
c) Mejoran el mezclado de líquidos y la turbulencia alrededor de las partículas facilita la difusión del sustrato en la biopelícula.
d) Altas concentraciones instantáneas de tóxicos en el influente no causan efectos tan fuertes sobre la biopelícula debido al régimen de mezclado.
e) La fluidificación lava fácilmente todas las partículas sólidas inertes finas. f) No hay retención de sólidos suspendidos y por consiguiente no existen problemas de taponamiento 17 18 19
La falta de retención de sólidos tiene como consecuencia también la falta de remoción de sólidos suspendidos, debido a
los
cortos tiempos de retenciónutilizados, que impiden que la materia particulada del agua se absorba a la superficie de la biopelícula para ser degradada en moléculas lo suficientemente pequeñas como para difundirse en ella. Por lo que es necesario la eliminación de sdlidos del efluente para obtener agua de mejor calidad. x), 21
Algunos problemas que presentan los lechos fluidizados están relacionados al arranque de
los
reactores, debido a que la formación dela
biopelícula es un proceso lento, como se mencionó anteriormente. También influye el alto consumo de energía debido a las altas tasas de recirculación utilizadas para expandir el lecho.Sutton y Mishra, 1991 ~ ~~
Henze y Harrem&s, 1983 Heijnen et al., 1989
Con respecto a los aditamentos mecánicos críticos que aumentan el valor de la inversión en estos sistemas se tienen los distribuidores de liquido para obtener una fluidización uniforme en reactores a escala industrial, los cuales son costosos y no funcionan totalmente, ya que presentan problemas de taponamiento con partículas presentes en la corriente de entrada y por el asentamiento de partículas de soporte en el difusor, en el caso de soportes más densos que el agua.
Los
distribuidores deben tener tres características importantes: mantener una distribución uniforme de flujo en el sistema, prevenir el taponamiento de los orificios debido a cuerpos extraños del influente o por el soporte y mantener condiciones de distribución del influente sin turbulencias, de tal forma de favorecer la acumulación uniforme de biomasa en el soporte del reacto?=.
.. ,
4.
MATERIALES
Y
METODOS
En este capítulo se presentan los materiales, metodología y técnicas analíticas usadas en el desarrollo de este trabajo para el estudio del reactor biol6gico
implementado.
4. l. Inbculos.
Se utilizó un lodo floculento proveniente de la Planta Piloto de Tratamiento de Agua Residual de la UAM Irtapalapa. De acuerdo a la bibiiografia estos
microorganísmos se clasifican como Archaeobacterias, cuya fisiología fue descrita en el capitulo 2.
Estas bacterias fueron recolectadas en frascos cerrados y obscuros, manteniéndose a una temperatura de 3OC en tanto que no fueran inoculadas en el
reactor. Una vez utilizadas, se deben mantener a una temperatura aproximadamente
de
35OC
(temperatura optima para su funcionamiento).Los microorganismos fueron observados al microscopio óptico, siendo
imposible la percepcidn de estos, debido a que
son
de un tamafio aproximado de10-70 micras, no obstante para obtener mejores resultados se requiere un microscopio electrónico de barrido (MEB).
4.2 Soporte.
La principal característica de estos reactores, es la utilización de microorganisrnos inmovilizados en soportes inertes, donde se forman una película mimbiana de tamaño uniforme, sometida a un flujo tal que se evite el arrastre de las
bacterias.
De la literatura se reportan algunos soportes factibles para el cultivo de
microorganismos, dentro de
los
cuales destaca la arena de mar, que se considera un s6lido en el cual se facilita la formacibn de biopelíwlas en lechos fluidizados enArena
demar
S6lido no poroso 9 Densidad
=
1.4g/m3
O Dihmetro promedio
=
0.03085 mm2 2 5 9 8 8
4.3. Reactor tubular.
En ta figura 5 se muestra el sistema utilizado, que consiste en un reactor
tubular de acrílico, con un diámetro interno de 5.6 cm y un volumen de 3000 mi, dos
bombas peristálticas, un recirculador que mantienen la temperatrura de un baño
tbrmico de 35 a 40°C y un serpentín dentro de dicho baiio que facilita la transferencia
de calor.
4.4. Aniilisis hidrodinárnico
Para determinar la velocidad mínima de fluidización (la transición de lecho empacado a fluidizado) se empacaron 33.5 cm de altura del reactor con arena y se
inició el flujo de agua a través del lecho. Se aumentó la velocidad del fluido hasta que el soporte presentó en expansión total, disminuyéndose gradualmente la velocidad
del flujo de entrada, induciendo el acomodo uniforme de las partículas de arena, una vez con el lecho empacado se dejo reposar 48 horas, obteniendo por consiguiente un
lecho compacto.
Se inicia el flujo de agua, incrementando la velocidad del flujo paulatinamente y determinando el flujo volumétrico, la altura y la velocidad del fluido. Estos datos se encuentran en la tabla 2 del capitulo 5 (Resultados).
4.5. Arranque y estabilidad.
Para la etapa de arranque se adicionaron alrededor de 500 ml de bacterias operando a circuito cerrado. Al mismo tiempo que se alimentaba con una solución altamente concentrada en pulpa de fruta y de flóculos frescos cada 48 horas. Para disminuir el tiempo de inoculación se recomienda alimentar con bacterias frescas, extrayendo la misma cantidad de Iodos que fueron alimentados.
Una vez que las bacterias se han inmovilizado en el soporte, se puede constatar de manera visual cuando el soporte presenta un color homogéneo similar al de los Iodos, lo cual indicara que ya se ha formado la película microbiana, entonces se extraerá el exceso de microorganismos y arena no depositada en el fondo y se alimentará 0.6 L/h de agua residual con una DQO de 1000 mg/L teniendo así, un tiempo de residencia de 5 horas y reciclando 24 de 25 partes del efluente
(UD=I .6).
microorganismos al soporte. No obstante se hizo una revisión de
los
principios para la evaluación de la cinética de reacción experimentalmente (Apéndice A)4.6 Análisis.
Los análisis practicados a nuestro reactor fueron:
a) Sólidos suspendidos totales, fijos y volátiles.
b) pH y la relación de alcalinidades (Standard Methods). c) Demanda Química de Oxígeno (DQO) total.
d) La cantidad
de
biogas producido y su composición. e) La cantidad de biomasa generada e inmovilizada. f) La cinética de reacción.En el desarrollo de las ecuaciones de diseño se observa la importancia de la velocidad global de reacción.
Muchas variables pueden afectar a la velocidad global de la reacción. En sistemas homogéneos la temperatura, pH y composición están implicadas
obviamente. En sistemas heterogéneos la velocidad del transporte de materia llega a ser importante puesto que el material puede tener que moverse de una fase a otra.
En los procesos biológicos la cinbtica de reacción implica un sin fin de etapas. El problema de determinar las variables que afectan a cada etapa, y
consecuentemente a la velocidad global de reacción. Solo cuando se dispone de esta información se puede confiar en la aplicabilidad de los datos cinéticos obtenidos en el laboratorio ai equipo a escala industrial.
En general para sistemas heterogéneos es conveniente considerar la
velocidad global de reacción para una partícula única (Rp). Ésta depende de la concentración del reactante en el fluido(CL) y de la velocidad del fluido(u).
alrededor de la película es el indicado en la figura 6 . En esta figura se ha dibujado una envolvente y que generalmente nos referimos como capa límite de transferencia de materia y su localización en el espacio depende de la velocidad de reacción y de la mecánica del flujo alrededor de la partícula. Entonces la velocidad de global de
reacción para una partícula sencilla tiene que ser determinada por medio de una solución de las llamadas ecuaciones de capa limite, es decir las ecuaciones que
describen
los
perfiles de velocidad y concentracibn en la región de una superficie.La influencia de la velocidad del fluido en la velocidad global de reacción es
tal que a valores altos la velocidad global de reacción se hace prácticamente constantez4.
Rp -+ constante cuando u -+ 00 (5)
Donde RP tiene las dimensiones de masa de sustrato convertida por unidad de
tiempo.
Figura 6. Variación de la transferencia de materia en la fase liquida posición alrededor de la partícula.
con la
'
Particulabiologica
cLk+
c1C C'
O n O
Y U X 1800
Figura 7. Modelo para la transferencia de materia en la fase líaquida.
concentración del sustrato
varía con y
I
I
Superficie deo
una partlculaO
Y bil6gica
t-”
Es
usual admitir como modelo la situación fisica indicada en la figura 7, suponiendo que la capa límite de transferencia de matera es de espesor constante. Estas situacidn se ilustra en la figura 7, donde est& dibujados los perfiles tipicos en el fluido adyacente a una partícula biológica. AI incrementar la velocidad del fluido la concentración inmediatamente adyacente a la partícula se aproxima a laconcentración mtisica media del liquido
(CL)
y los gradientes de concentración decrecen. La dependencia de R, y de la concentración de sustrato en la interfases6lido-líquido
(C*)
de la velocidad del fluido está representada en la figura 7.En condiciones de estado estacionario
la
unética dela
partícula ilustrada en la figura 7 se puede describirse igualando la transferencia por difusión de los reactantes a travesde
la capa límite con el consumo de sustrato por ta particuta biol6gica.Así:
donde h se conoce
corno
el coeficiente de transferencia de materia, N representa laeliminar
C"
de esta ecuacih y expresar la velocidad globalde
reacción en faxi& de la constante mdsica media del fluido.El
estudio de las ecuaciones de velocidad global conduce a una separación delos fenómenos físicos implicados, principalmente transferencia de materia y
fen6menos de mecánica de fluidos, de las características
de
la reaccibn, es decir, lacinética química. Tal división permite
una
apreciación más detallada del efecto de loscambios en las variables de operacih así como una interpretación
m&
científica delos datos experimentales.
Etapa limitante de
la
velocidad.Cuando la velocidad global de la reacción implica varias etapas consecutivas, se dice con frecuencia que una de ellas es la etapa limitante de
la
velocidad.R p = K j A p c ~ =N*Ap
(7)
en donde:
si
en
la ecuación (8) el coeficiente de transferencia de materia hes
mucho mayor que el coeficiente cinético kl la expresión par ala velocidad global dela
reacción se reduce a:y si ocurre
lo
contrario, es decir, h<< kt, entoncesR P
" K I
A,
En la ecuaci6n (9) la velocidad de la reacción observada viene determinada
Modelo para un microorganismo Único
El modelo más comúnmente utilizado para crecimiento celular es el propuesto por Monod.
crp
NP =
*
c.
en donde N, es la velocidad de transporte por unidad de área de la región implicada, C‘ es la concentración de sustrato externa a la región de permeasa (parte externa a la región metabólica metabilismo), a, y
pp
son coeficientes con las dimensionesapropiadas, es decir, ML-2T” y ML-3.
En tanto que el proceso de difusión molecular convencional al que obedece es la ley de Fick.
donde Nd es la velocidad
(11)
de transporte por unidad de área de la región que nos
dC
dr
4 ~ ? ( - D m -) = AC
Ac es una constante.
La integración de esta ecuación conduce a:
donde Bc es una constante de integración.
bien
5.
RESULTADOS
Y
DISCUSIÓN
5. l. Hidrodindmica
Los datos obtenidos del estudio hidrodinámico se encuentran en la tabla
2,
En estatabla podemos observa que la velocidad mínima de fluidización es de 0.0156 cm/s.
Tabla
2.
Datos de velocidad superficial experimental.59.5
7.41
I
0.301
52.8
O.
367
9.04
49
0.01
0.246
27.8
0.01
56O.
382 27.8
o.
o99
2.44
27.9
O.?
38
3.39
38.
I0.19
4.68
43.3
0.254
6.25
Gráfica 1 . Datos de velocidad superficial vs.
Altura
del lecho., , "
*."
,
*,A,' ,
,'/'
, ,'
20
"
0.0 o. 1 0.2 0.3 0.41
Gráfica 2. Acercamiento de la gráfica 1, en la región de velocidad superficial estable.
40 t I
J
velocidad superficial (cm/s)
5.2.pH
Las bacterias prefieren condiciones neutras de pH, esto es en el rango de 6.5 a 8.2. Fuera de este rango se reduce la capacidad para degradar
l
a
materia orgánica y por lo tanto se ve disminuida la producción de metano.En la gráfica 3 se muestran los valores reportados de pH del reactor desde el día de su arranque. Podemos decir que al cabo de tres días el reactor se acidifico, esto porque hubo un taponeo y afecto la produccibn de metano, por
lo
que se le adicionó una solución de Hidróxido de sodio saturada.PH
I 1 I I I I
O
I
10 20 30 40 50
5.3.Cinética de degradacibn de materia orgánica.
2 2 5 9 8 8
Existe una ecuación empírica que describe la degradación de la materia entérminos de la cinética de las enzimas esto es la ecuación de Monod y que representa la variación general de la velocidad de crecimiento con la concentración de sustrato excepto bajo las condiciones inhibitorias de concentración alta.
k SX
GS max
" - ~ dt
K
+ SS
en donde dS/dT = tasa de crecimiento de microorganismos, mg/L*d kmáx= tasa máxima de crecimiento especifico gr DQO/g SSV* día S = concentración de sustrato (en contacto con biomasa) mg/L.
X
=
concentración de biomasa, mg/L.Ks=
concentración de saturación media, mg/L.En teoría, tenemos que para condiciones de un proceso anaerobio a t=
35OC,
un DQO= 1000mg/L y pH=
6.5-8.2,
las constantes de reacción son: k m . x =6.67
dias"CONCLUSIONES
El reactor que ofrece más ventaja según el estudio realizado es el RLF, ya que tiene una remoción del 80 al 90% de la materia orgánica, que es mayor a la presentada por cualquier otra configuración.
El proceso es de tipo anaerobio el cual minimiza inversiones energéticas y monetarias, debido a que no requiere inyección adicional de oxígeno, además de proporcionar una fuente de energía con la producción de metano.
En cuanto al uso de la arena como soporte inerte, se reporta en la bibliografía como uno de los más eficientes para esta operación, a pesar de ser un sólido no
poroso los microorganismos se adhieren a éI formando la película microbiana con mayor rapidez, fomentando la estabilización del sistema.
Debido a que el reactor se encuentra en la etapa de arranque no fue posible obtener datos experimentales de la cinética de degradación de la materia orgánica, sin embargo de manera teórica se encontraron las constantes de reacción, sujetas a las condiciones de operación del sistema experimental.
APÉNDICE
A
A.
l.
Detenninacibn de parámetms fisicoquimicos. A. l . I.S&lidos totales,foes
y volátiles.Se determinarán sólidos totales (ST), fijos (SF) y volátiles (SV) según los metodos estandar de muestre0 (1988). Estos últimos se expresan como sólidos
volátiles inmovilizados (SVI) y se relacionan con los ST que se expresan como sólidos totales inmovilizados (STI) para determinar de esta forma la fracción de material orgánico de la biopelícula (SVVSTI).
A.l.2. Alcalinidad
Se toma una muestra de 25 ml de efluente con pipeta volumétrica y se colocan en un vaso de precipitados y se someten a agitación. Se mide el pH de la muestra y se registra. En una bureta de volumen apropiado se coloca el H2S04, 0.02N. Se inicia la titulación agitando la muestra, vertiendo el ácido y registrando el cambio de pH con el potenciómetro, hasta alcanzar cada uno de
los
pH indicados. Se registran los volúmenes gastados y el valor de la relación de alcalinidades se calcula como:Vg(pH = 5.7)
vgt(pH
= 4.3) Relación de Alcalinidades=
en donde Vg = volumen gastado.
Vgf
=
volumen gastado total. A.l ADernanda Química de Oxígeno.Se toman 5 ml de muestra y se colocan en un vaso de teflón, adicionando los
siguientes compuestos y soluciones en el orden que a continuación se presenta:
1 .- 0.1 gr. de HgS04.
2.- 0.5 ml de una solución Ag2S04/H2S04 0.25 N. 3.- 5ml de K2Cr407/H20 0.25 N.
4.- 7 ml Ag*S04/H2S04 0.25 N.
Se introducen en un homo de microondas por I O minutos al 45 016 de operación. Posteriormente se aforan con 50 ml de agua desionizada. Se titula con Fe(NH4)S04
0.25,
usando ferroina como indicador.DQO
(mg/L)=
(a - b)SOOO cF
i
en donde:
a: volumen de sulfato ferroso amoniacal para el testigo b: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la muestra c: normalidad del sulfato ferroso amoniacal
m: volumen de muestra
t: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la normalización. F= factor de dilución (m1 aforados / ml muestra)
A.1.4. Tiempo de retención hidrdulico (TRH)
Es
el tiempo necesario para el recambio del volumen total del reactor.V
en donde
V
=
volumen (L)APENDICE B
B. l. Determinación de pardmetros biologicos.
B.l.l. Eficiencia de remoción de carga orgánica (%).
Es
la capacidad de materia orgánica, ya sea disuelta o total, del reactor.DQOentrada - DQOsaZi&(g / L)
DQOentra&(g I L)
% Ef. Remoción.=
B. 1.2. Determinación de Biomasa inmovilizada
La biomasa inmovilizada se consideró como los sólidos volátiles inmovilizados o material orgánico adherido al soporte. Se consideró también que la biopelícula está formado por sustancias exopoliméricas constituidas principalmente por carbohidratos
BlBLlOGRAFiA
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