54
𝒍𝒏(𝑪𝒔− 𝑪) = (−𝑘 𝑎)(𝒕) + 𝑐𝑡𝑒 (10)
Grafico 1. Determinación de kLa Nota. Elaboración propia
55
generalmente el dicromato de potasio ( K2Cr2O7) para convertirla en dióxido de carbono y agua.
(Harris, 2001)
1.3.2 Oxígeno disuelto(OD).-
Este parámetro fisicoquímico que mide la cantidad de oxigeno gaseoso (O2) disuelto en una solución acuosa , cuya unidad de medición es mg/L o en porcentaje de saturación (%), el gas se transfiere al agua mediante la difusión, la concentración de oxígeno disuelto se verá afectada por la salinidad , temperatura, presión de suministro del gas y naturaleza del gas a suministrar.
(Goyenola, 2007)
1.3.3 Coeficiente de Difusión (D).-
El coeficiente de difusión represeta la velocida de un soluto para movilizarse en un determinado disolvente, el valor del coeficiente dependerá del tamaño y forma del soluto, viscosidad del disolvente y de las características de la particula que se difunde. (Cáceres, De la Lanza Espino, Adame , & Hernández).
1.3.4 Coeficiente global de transferencia de oxigeno (kLa).-
Es un factor de proporcionalidad que es inversamente proporcional a la resistencia de la película liquida y al tiempo de difusión de un gas.
56 Capítulo II Metodología
Las actividades que se llevaron a cabo para el logro de los objetivos de esta investigación, se agruparon en tres etapas. La primera, se centra en la revisión y análisis de los antecedentes y fundamentos teóricos de la aeración de aguas residuales que se presentó en el capítulo anterior. La segunda, consistió en recabar datos de pruebas experimentales de aeración de muestras de aguas residuales sintéticas. Finalmente, en la última etapa se realizó la prueba de hipótesis, el análisis y discusión de los resultados.
Las pruebas de aeración que se desarrollaron, consistieron en experimentos de oxigenación con aire de muestras de aguas residuales sintéticas, por medio de un burbujeador. En estas pruebas se manipuló intencionalmente la concentración de materia orgánica a tres niveles diferentes, medidos con la demanda química de oxígeno. Esto, con el fin de observar el efecto en el coeficiente global de trasferencia de oxígeno. Se realizaron tres replicas para cada condición experimental. Según esto, el tipo de investigación que se realizó es aplicada a un nivel explicativo, el método de investigación es experimental, dado que, en este caso, se manipuló intencionalmente la concentración de materia orgánica, y el diseño de la investigación es el de un solo factor. Respecto a este diseño, los datos para el análisis y prueba de la hipótesis, se registraron en una tabla del siguiente modo:
57 Tabla 11.
Diseño experimental
VARIABLE RESPUESTA
Concentración de materia organica
(DQO, ppm)
Coeficiente global de trasnferencia de oxigeno KLa
I II II
0 450 591.8
750
Nota. Elaboración propia.
2.1 Equipos, Materiales Y Reactivos
Los equipos, materiales e instrumentos que se utilizó para la realización de los experimentos y la recopilación de datos fueron los siguientes:
Una unidad experimental para la aireacion con burbujeador.
36 L de agua residual sintética. (preparada según procedimiento descrito en la sección 2.4)
Sulfito de sodio
Cloruro de sodio
Material de vidrio (vasos de precipitado de 250 mL, varilla de vidrio, pipeta de 0.5 mL y propipeta)
Balanza analítica.
Elementos de protección personal (guardapolvo, guante de nitrilo, mascarillas)
Recipientes de plástico
58 2.1.1 Agua residual doméstica sintética
El agua residual sintética se preparó mezclando 4 L de agua potable con reactivos de acuerdo a la concentración de DQO que se quiere conseguir. Los reactivos y las cantidades que se emplearon se muestran en la tabla siguiente:
Tabla 12.
Cantidad de reactivos para la preparación de ARS
REACTIVOS
DQO DQO
(591.8 ppm)
DQO TOTAL
PEPTONA 0.756 g 1 g 1.261 g 3.017 g
SACAROSA 𝐶 𝐻 𝑂 0.182 g 0.24 g 0.303 g 0.485 g ALMIDÓN 𝐶 𝐻 𝑂 0.424 g 0.56 g 0.706 g 1.130 g ACEITE DE SOYA 0.174 mL 0.23 mL 0.289 mL 0.693 mL SULFATO DE AMONIO (𝑁𝐻 ) 𝑆𝑂 0.091 g 0.12 g 0.151 g 0.362 g FOSFATO DE SODIO TRÍBASICO 𝑁𝑎 𝑃𝑂 0.018 g 0.024 g 0.030 g 0.072 g
Nota. Elaboración propia.
La mezcla se realizó en el recipiente de acrilico, tal como se indica en la sección de procedimientos.
2.1.2 Descripción de la unidad experimental.
La unidad experimental y los elementos que la componen que se utilizó en los experimentos de aireación de las aguas residuales sintéticas, se muestra en la figura siguiente:
59
Figura 5. Modelo experimental del sistema de aeración por burbujeo Fuente. Elaboración propia.
De acuerdo a esta figura, la función y características de interés de los componentes de la unidad experimental son los siguientes:
Compresor. Es el que proporciona aire comprimido a una presión de 25 a 50 psi. Dispone de un motor de 1 HP para impulsar el pistón de compresión.
Regulador de presión. Es el que recepciona el aire comprimido del compresor y lo regula, reduciendolo a una presión constante de 32.38 mbar o 13 pulgadas de H2O.
Rotámetro. Es el medidor de caudal del aire que ingresa al burbujeador. Tiene una escala sin dimensiones en un rango de 0 a 200 unidades.
60
Medidor de presión. Se encuentra instalado a la salida del rotámetro para medir la presión del aire que ingresa al burbujeador. El rango que posee es de 0 a 40 mbar. Tambien trasnmite una señal estándar de 4 a 20 mA, que es recepcionado en el registrador de datos. Funciona con 24 V DC.
Medidor de oxígeno disuelto. Mide la concentración de oxígeno que esta disuelto en el agua residual sintetica cuando entra en contacto con este liquido. La medicion lo realiza de manera continua. El principio fisico que utililiza para la medicion es el de fluorescencia (optico). El rango que posee es de 0 a 20 ppm de O2 disuelto. Transmite una señal estandar de 4 a 20 mA, que es recepcionado por el registrador de datos. Tension de alimentacion 24 VDC.
Medidores de temperatura. Son dos, y se encuantran instalados en el recipiente de acrílico, para medir la temperatura del agua residual sintética durante el proceso de aireación. Son del tipo PT100 de tres hilos, que aplican el fenomeno fisico de variacion de resistencia electrica del platino (RTD) por efecto de la variación de temperatura. El rango de medicion que tienen es de -20 a 800 °C. La señal que proporciona es recepcionada por el registrador de datos.
Registrador de datos. Es el dispositivo donde llegan las señales de los medidores de presion y temperatura, y la funcion que tiene, es registrar las mediciones de estas variables según la configuracion que se establezca a través de su software. La marca del dispositivo es NOVUS, y tiene la capacidad de indicar y registrar mediciones procedentes de 8 medidores.
Burbujeador. Es el que genera burbujas de aire en el fondo del líquido residual. Esta construido de tubos de cobre que tiene un diametro de 11 mm y posee 12 boquillas de acuerdo distribuidos de acuerdo a la siguiente figura.
61 Figura 6. Esquema del burbujeador y boquillas
Fuente. Elaboración propia.
Recipiente de acrílico. En este recipiente se depositó el agua residual sintética, y donde se ubica el burbujeador. Las dimensiones se muestran en la figura siguiente:
Figura 7. Recipiente de acrílico Fuente. Elaboración propia.
62 2.2 Población y muestra
En la literatura especializda se encuentra que la definición de población es el conjunto de todos los casos o elementos que concuerdan con ciertas especificaciones definidas por un investigador.
Los casos o elementos al que se refiere se denominan unidad de análisis. De acuerdo a esto, la población está conformada por el conjunto de aguas residuales domésticas sintéticas las cuales fueron preparadas con agua potable a concentraciones de 450, 591.8 y 750 ppm de DQO.
La muestra, que es representativa y es una porción de la población, y de los cuales se van obtener datos de coeficientes globales de transferencia de oxígeno, con mediciones de oxigeno disuelto en los experimentos de aireación, esta conformada por 12 litros de aguas residuales domésticas sintéticas con DQO de 450 ppm, 12 litros con 591.8 ppm y 12 litros con 750 ppm de DQO.
2.3 Procedimientos
2.3.1 Procedimiento para obtener datos experimentales
El procedimiento que se siguió para obtener los datos experimentales de concentración de oxígeno disuelto durante la aireación es como sigue:
a) Se instaló todos los componentes de la unidad experimental, de acuerdo a la Figura 5 (a excepción del burbujeador). También se realizó la instalación eléctrica de los dispositivos según el esquema que se muestra en los anexos. Luego se verificó el funcionamiento de todos los elementos
b) Se vertió 4 L de agua potable al recipiente de acrílico, y con la lectura de la medición de su concentración de oxígeno disuelto, se agregó sulfito de sodio y cloruro de cobalto para iniciar la desoxigenación, agitando hasta disolver homogéneamente. (de acuerdo a la concentración inicial aproximadamente 0.246 g de 𝑁𝑎 𝑆𝑂 , y 0.013 de 𝐶𝑜𝐶𝑙 )
63
c) Realizado la desoxigenación, se colocó el burbujeador en el recipiente y se suministró aire, a un caudal constante de 137 unidades de la escala del medidor de caudal. Para ello, se reguló con la válvula de aguja que posee el rotámetro a su ingreso
d) A estas condiciones, se registró la hora de inicio que permitió extraer los datos de la memoria del registrador. A partir de aquí, la oxigenación se lleva a cabo con el registrador almacenando los datos de oxígeno disuelto, temperatura y presión que los medidores entregan al registrador.
e) La oxigenación termina cuando la concentración de oxígeno disuelto alcanza un valor y permanece constante. Llegado a esta condición, los datos se extraen el registrador para posteriormente acondicionarlos y analizarlos.
f) Terminado el experimento, se descargó el fluido y limpiar el módulo.
Para las repeticiones, se siguió el mismo procedimiento desde la parte b). Por otro lado, para los experimentos con el agua residual sintética, se siguió también el mismo procedimiento, con la única diferencia que en la parte b), se adicionó ARS en ves de agua potable, los reactivos para conseguir la concentración deseada del agua residual sintética, según las cantidades indicadas anteriormente en la Tabla 12.
2.4 Técnicas de procesamiento de datos
Finalmente se realizó el análisis estadístico para ello se empleó el análisis de varianza para verificar la significancia del efecto que tiene la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno, para poder explicar la relación existente entre estas dos variables.
64 Capítulo III
Tratamiento de datos y discusión de resultados
En esta parte se presentan los datos experimentales que se recabaron de los experimentos, también los resultados que se obtuvieron de los cálculos con los datos experimentales. De las pruebas de aireación, se tienen los datos de evolución de la concentración de oxígeno disuelto para las concentraciones de DQO establecidas en el diseño. De los resultados de cálculos, se tienen los coeficientes globales de transferencia de oxígeno. Finalmente se presenta los resultados de la prueba de hipótesis.
3.1 Resultados experimentales de oxigenación.
Los datos experimentales de concentración de oxígeno disuelto en las muestras de agua sometidas a prueba son los siguientes:
Gráfico 2. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua potable Nota. Elaboración propia
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40 50 60
Concentración de oxigeno disuelto ppm (O2)
tiempo (minutos)
EXPERIMENTAL 1 EXPERIMENTAL 2 EXPERIMENTAL 3
65
Gráfico 3. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua residual sintética con 450 ppm de DQO
Nota. Elaboración propia
Gráfico 4. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua residual sintética con 591.8 ppm de DQO
Nota. Elaboración propia
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40 50 60
Concentracion de oxigeno disuelto ppm (O2)
tiempo (minutos)
EXPERIMENTAL 1
EXPERIMENTAL 2
EXPERIMENTAL 3
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40 50 60
Concentración de oxigeno disuelto ppm (O2)
tiempo (minutos)
EXPERIMENTAL 1 EXPERIMENTAL 2 EXPERIMENTAL 3
66
Gráfico 5. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua residual sintética con 700 ppm de DQO
Nota. Elaboración propia
Como se observa en estas figuras, en cada caso se muestra los resultados de las tres replicas, y todos los resultados tienen la misma tendencia. Los resultados promedio de estas concentraciones se aprecia en el siguiente gráfico.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40 50 60
Concentracion de oxigeno disuelto ppm (O2)
tiempo (minutos)
EXPERIMENTAL 1
EXPERIMENTAL 2
EXPERIMENTAL 3
67
Gráfico 6. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto promedio en agua residual sintética Nota. Elaboración propia
Por otro lado, durante los experimentos que se desarrollaron, la evolución de la temperatura del agua residual sintética y la presión del aire que ingresa al burbujeador se muestran en las figuras siguientes.
Gráfico 7. Evolución de la temperatura del líquido durante las pruebas de aireación Nota. Elaboración propia
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
0 10 20 30 40 50 60
CL (mg_L)
Tiempo (min)
AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00
0 10 20 30 40
Temperatua (°C)
Tiempo (min)
AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
68
Gráfico 8. Evolución de la presión del aire que ingresa al burbujeador Nota. Elaboración propia
3.1. Resultados de coeficiente global de transferencia de oxígeno
Con los datos experimentales de la evolución de la concentración, y con la ecuación de Lewis y Whitman linealizada, se calcularon mediante la regresión lineal los coeficientes globales de transferencia de oxígeno para cada caso experimental.
10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
0 10 20 30 40
Paire(mbar)
Tiempo (min)
AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
69
Gráfico 9. Regresión lineal de los datos experimentales de acuerdo a la ecuación de Lewis y Whitman. a) repetición 1, b) repetición 2 y c) repetición 3
Nota. Elaboración propia
-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00
0 10 20 30 40
Ln(Cs-CL)
Tiempo (min) a) AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00
0 10 20 30 40
Ln(Cs-CL)
Tiempo (min) b) AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00
0 10 20 30 40
Ln(Cs-CL)
Tiempo (min) c) AGUA POTABLE
DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
70
Los resultados de los coeficientes, se tienen a continuación:
Tabla 13.
Resultados de kLa a cada DQO de ARS
Coeficiente global de transferencia de oxigeno (min-1)
Repeticiòn AGUA
POTABLE DQO
450 ppm
DQO 591.8 ppm
DQO 750 ppm
I 0.1047 0.085 0.0723 0.0668
II 0.1036 0.0863 0.0722 0.067
III 0.1045 0.0865 0.0725 0.0682
promedio 0.1043 0.0859 0.0723 0.0673
Nota. Elaboración propia
De acuerdo a estos resultados se encuentra que los coeficientes de transferencia de oxígeno, disminyen cuando la concentración de la demanda química de oxígeno aumenta. Eso indica que la velocidad de trasnferencia de oxígeno va disminuir si la concentracion de DQO aumenta. Esto esta de acuerdo con lo que se encuentra en la literatura especializada. Pero es necesario indicar que tambien las concentraciones de saturación de oxígeno disuelto en cada caso se modifica con la concentración de DQO, tal como se puede apreciar en el Gráfico 6.
En la siguiente figura se muestra el perfil de velocidad de transferencia de oxígeno, calculado con los datos experimentales. Se observa que cuando el déficit de oxígeno disuelto es notable, la velocidad de transferencia de oxígeno es alto, lo cual se da al iniciar cada experimento. También, se puede comprobar que la velocidad de transferencia de oxígeno disminuye con la concentración de DQO.
71
Gráfico 10. Velocidad de trasferencia de oxígeno calculados con datos experimentales Nota. Elaboración propia
Cabe indicar que la velocidad de transferencia de oxígeno disminuye a cero después de un tiempo de 50 minutos aproximadamente. Eso quiere decir que por mas que se siga burbujeando aire, la concentracion de oxígeno disuelto permanecera constante a su valor de saturación.
3.2. Proceso De La Prueba De Hipótesis
La prueba de hipótesis se realizó con los resultados experimentales de coeficiente globales de de trasnferencia de oxígeno, para las muestras de agua residual sintética. Los resultados empleados son los siguientes
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
0 10 20 30 40
dCL/dt
Tiempo (min)
AGUA POTABLE DQO 450 DQO 591,8 DQO 750
72 Tabla 14.
Resultados de kLa empleados en la prueba de hipótesis
KLa totales promedio
I II III
ARS - DQO:450 0.085 0.0863 0.0865 0.2578 0.0859 ARS - DQO:591,8 0.0723 0.0722 0.0725 0.217 0.0723 ARS - DQO:750 0.0668 0.067 0.0682 0.202 0.0673
0.6768 0.0752
Nota. Elaboración propia
Los resultados del análisis de varianza se muestra en la tabla siguiente:
Tabla 15.
Análisis de varianza Fuente de
variación Suma de
cuadrados Grados de
libertad Cuadrado
medio Fo
DQO 0.00055592 2 0.00027796 661.809524
error 2.52E-06 6 4.2E-07
total 0.00055844 8
Nota. Elaboración propia
El estadistico de prueba Fo, es mayor que el estadistico obtenido en tablas para un alfa 0.05, a- 1= 2 y N-a= 6, cuyo valor es 5.14. De acuerdo a esto, se rechaza que los coeficentes globales de transferencia de oxígeno tienen medias iguales. Es decir hay diferencias significativas entre sus medias. Esto implica que la concentracion de DQO afecta significativamente en los coeficientes de transferencia de masa.
3.3. Discusión De Resultados
De acuerdo a los resultados que se obtuvieron de coeficientes globales de transferencia de oxígeno que se muestran en la tabla N° 13, se puede ver que éstos varían. La variación que experimenta, es de modo tal que, cuando la concentración de DQO (concentración de materia orgánica) del agua residual sintética se incrementa, el coeficiente global de transferencia de
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oxígeno disminuye. Este comportamiento que se manifiesta es debido a la presencia de los contaminantes, que en este caso se incorporó intencionalmente al agua potable para obtener la concentración deseada de DQO. Pues, tal como se encuentra en la bibliografía especializada referido a la oxigenación del agua, la salinidad y las características que tienen las sustancias contaminantes, afectan la concentración de saturación de oxígeno disuelto en agua, y dado que la concentración de oxigeno disuelto interviene en el cálculo del coeficiente global de transferencia, entonces se verifica esta variación. Haciendo un cálculo rápido con los datos promedio de la tabla N°13, la disminución del KLa cuando la concentración de DQO aumenta de 0 a 450 ppm, es 0.0184 min-1, luego, cuando la concentración de DQO, aumenta de 450 a 591.8 ppm, el KLa disminuye 0.0136 min-1, y cuando la concentración de DQO aumenta de 591.8 a 750 ppm, el KLa disminuye 0.005 min-1. Como se puede apreciar con estos resultados, la disminución no es constante; es decir, no es lineal la variación del coeficiente global con la concentración de DQO.
Respecto al perfil de concentración de oxigeno disuelto en el agua residual sintética que se obtuvo con los datos experimentales, se encuentra el típico comportamiento del proceso de oxigenación de agua libre de contaminantes, que en la literatura especializada se revisó. Todos los perfiles se ajustan bastante bien a la ecuación linealizada de Lewis y Whitman, pues observando además del gráfico, los coeficientes de correlación para cada caso, son cercanos a 1. En estos perfiles de concentración también se puede ver que la concentración de saturación de oxigeno disuelto a las temperaturas que se llevaron a cabo los experimentos, disminuyen con el incremento de la concentración de DQO, esto por la razón mencionada anteriormente. También, los perfiles de concentración de oxígeno disuelto mostrados de manera resumida en la figura N° 6 muestra cómo va incrementándose hasta alcanzar la saturación. Este comportamiento se da porque los
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experimentos se llevaron a cabo en lotes, por lo que el oxígeno disuelto va acumulándose. De no ser así, se tendría otro perfil.
En relación a los coeficientes globalesl de transferencia obtenidos, no son valores altos. Esto a razón de que el dispositivo empleado para la oxigenación, es adaptado y no permite hacer que las burbujas tengan un área interfacial de mayor extensión. A pesar de ello, la oxigenación se realizó satisfactoriamente y demoró en todos los casos un tiempo que va desde 40 a 60 minutos. Este tiempo se puede disminuir mejorando el coeficiente global de transferencia. En este caso, como se puede apreciar en el esquema del módulo, no se utilizó agitador para homogenizar el medio líquido, solo se aprovechó el movimiento de las burbujas en su ascenso, para homogenizar y lograr la transferencia de masa convectiva. Por ello, puede plantearse una investigación que evalué la influencia de modos de agitación en el coeficiente global, para con ello tomar la decisión de utilizar o no un mecanismo de agitación.
Finalmente, las variaciones del coeficiente global de transferencia de oxigeno por efecto de la modificación de la concentración de DQO, se encuentra que es significativo. Esto quiere decir que la carga contamínate en el agua residual es un factor muy importante en la rapidez de transferencia de oxígeno, que se debe tomar en consideración para la selección de los dispositivos de aireación de aguas residuales para su tratamiento biológico.
75 Conclusiones
Se evaluó la influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa) y se concluye que este factor afecta significativamente. De modo tal que, cuando aumenta la concentración de materia orgánica, disminuye el KLa.
Se determinó el perfil de evolución de la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo a diferentes concentraciones de materia orgánica del agua residual doméstica sintética, con los que se concluye que, en todos los casos se ajustan satisfactoriamente al modelo matemático propuesto por Lewis y Whitman con su teoría de doble película.
Se calculó los coeficientes globales de transferencia de oxígeno a las condiciones ambientales de Huancayo (520 mmHg y 19 °C), para la temperatura promedio del agua residual sintética de 18 °C. y para las concentraciones de DQO de 450 ppm, 591.8 ppm y 750 ppm, los cuales son 0.0859 min-1, 0.0723 min-1 y 0.0673 min-1 respectivamente.
Se determinó la significancia de la influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno, y se concluye que es significativo.