UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
“EVALUACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE OXIGENO CON DIFUSORES DE BURBUJA FINA Y GRUESA EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
DOMESTICAS”
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
Omonte Mendez Jessica Graciela Romero Andia Keiko Sofia
Para optar el título profesional de Ingeniero Químico Ambiental HUANCAYO - PERU
2020
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ASESOR:
Dr. LOAYZA MORALES CESAR AUGUSTO
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DEDICATORIA
La presente investigación está dedicada a mi madre Mauricia, a mis hermanas Maritza y Jadira, pues sin ellas no lo hubiera logrado, ya que son mi mayor motivación para seguir adelante.
ROMERO ANDIA, Keiko Sofia
DEDICATORIA
Esta Investigación va dedicado a mis Abuelitos, quienes me apoyan y motivan siempre en todo lo que emprendo.
OMONTE MENDEZ, Jessica Graciela
AGRADECIMIENTO
Primeramente, agradecemos a Dios que nos fortaleció en momentos de dificultad y debilidad, para continuar con este proceso.
Agradecemos a nuestros maestros, personas que con su experiencia nos apoyaron para lograr nuestro objetivo, el proceso no fue nada sencillo, pero gracias a su dedicación constante de
nuestros maestros, se logró realizar nuestro trabajo de investigación.
A nuestro asesor el Dr. Loayza Morales Cesar Augusto que nos apoyó de principio a fin, con la elaboración de nuestro trabajo de investigación.
RESUMEN
La presente investigación, se llevó a cabo con la finalidad principal de evaluar el efecto que ejerce el tipo de difusor empleado en la oxigenación de agua residual y, la profundidad sumergencia a la cual se instala, sobre la concentración de oxígeno disuelto. Para ello, se realizaron ensayos de oxigenación de muestras de agua residual de origen sintético, con una concentración de contaminantes de 400 ppm en demanda química de oxígeno, en un aparato de aireación de aguas. La profundidad de sumergencia se estableció como la distancia vertical desde el difusor hasta la superficie del líquido contenido en el recipiente del aparato. Se ensayo con dos tipos de difusores y a tres profundidades de sumergencia. El efecto se evaluó en el coeficiente de transferencia de oxígeno, aquella que se encuentra en la literatura de la teoría de la doble película, para describir el fenómeno de transferencia de oxígeno a líquidos por aireación. Las condiciones atmosféricas de presión y temperatura a las que se realizaron los ensayos son los normales de la ciudad de Huancayo. Con los datos de los experimentos, se determinó que los coeficientes de transferencia de oxígeno a las muestras de agua residual en promedio; para las profundidades de sumergencia de 35 cm, 70 cm y 105 cm, son: 0.21 min-1, 0.24 min-1 y 0.24 min-1 cuando se usó el difusor de burbuja fina y, de 0.049 min-1, 0.046 min-1 y 0.048 min para el difusor de burbuja gruesa respectivamente. Se concluye que, para un tipo de difusor, cuando la profundidad de sumergencia se incrementa, el coeficiente de transferencia de oxígeno también aumenta, pero no significativamente. Y, para una misma profundidad, el tipo de difusor empleado en la oxigenación afecta significativamente en el Kla, dado el tamaño de burbuja que generan.
PALABRAS CLAVE: transferencia de oxígeno, aireación, agua residual, difusor
INTRODUCCIÓN
Los sistemas aerobios de tratamiento de agua residual, son aquellos aprovechan microorganismos a fin de remover la materia contaminante. Para tal efecto, estos seres microscópicos, deben metabolizar las sustancias disueltas en el agua, que por lo general son denominados biodegradables. En este proceso de metabolización, los microorganismos necesitan de oxígeno para su respiración, y con ello, cumplir con sus funciones vitales. Al igual que la materia contaminante, el oxígeno también debe encontrarse disuelta en el liquido y mantenerse a concentraciones adecuadas. Entonces es muy importante la oxigenación del agua residual.
En general, existen diversas maneras de oxigenar un líquido, pero todas ellas involucran poner en contacto el gas oxigeno con el líquido. El gas puede ser puro o puede aprovecharse del aire, este último, es el más utilizado por los bajos costos que requiere, y lo denominan comúnmente aireación. Pero, la operación que aparentemente es sencilla, no lo es. Pues, son muchos los factores que afectan la transferencia de oxígeno al líquido. En el caso particular de la aireación de aguas residuales, pues como se puede comprender es una operación muy importante, dado que está destinado a suministrar de oxígeno a los microorganismos, de lo contrario el tratamiento para descontaminación sería imposible. Los factores que afectan en esta operación de aireación para oxigenación son la presión atmosférica, la temperatura del líquido, la presencia y tipo de contaminantes, salinidad del líquido, la geometría de los elementos y aparatos que permiten poner en contacto el aire con el líquido entre otros.
Con relación a tipos de sistemas que se puede encontrar comercialmente para realizar la aireación de aguas residuales, en el comercio se tienen varios tipos, entre los cuales se encuentra a los difusores de aire comprimido, que son los componentes principales de sistemas de aireación. Estos difusores, son elementos que permiten generar burbujas de aire en el fondo del tanque de aireación; para lo cual, debe suministrarse aire a una presión suficiente para vencer la presión hidrostática que ejerce el líquido en el fondo del tanque donde va ser instalado el difusor.
El tamaño de burbuja que generan depende del tipo de difusor; particularmente del tamaño de poro al que fue fabricado.
Pero, para elegir a los difusores más apropiados en determinadas condiciones de operación, es muy importante conocer su desempeño. Además, es importante el consumo energético que va
demandar para que la operación de aireación se realice con éxito, lo cual constituye un factor clave en la selección de este elemento.
De acuerdo a todo lo mencionado, y de la revisión bibliográfica, no se encontró investigaciones experimentales que expliquen el desempeño de difusores de aire para tratamiento de aguas, a diferentes profundidades de sumergencia, llevados a cabo a las condiciones medio ambientales de Huancayo. Pues estos datos son muy necesarios para realizar la selección de difusores y también el cálculo de requerimientos de equipamiento, estructurales y energéticos para plantas de tratamiento de agua en nuestra localidad que tanta falta hace.
Por esta razón, en esta oportunidad mediante este informe se presenta un estudio experimental de la influencia de la profundidad de sumergencia de dos tipos de difusores en su desempeño para la aireación de agua residual domestica de origen sintético.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
• Evaluar el efecto de la profundidad de sumergencia y el tipo de difusor, en la concentración de oxígeno disuelto en el tratamiento de aguas residuales domésticas de origen sintético.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Estimar el tamaño de burbuja que generan los difusores de burbuja fina y gruesa en la oxigenación de agua.
• Determinar los coeficientes de transferencia de oxígeno al agua residual sintética, a diferentes profundidades y utilizando difusor de burbuja fina y burbuja gruesa
• Determinar la relación de la profundidad de sumergencia con el coeficiente de transferencia de oxígeno cuando se usa el difusor de burbuja fina, y también, con el difusor de burbuja gruesa.
SIMBOLOGÍA
𝑐𝑔𝑎𝑠 Concentración de equilibrio del gas en solución (mg/l).
𝑝𝑔𝑎𝑠 Presión parcial del gas (atm).
𝐻𝑝𝑔𝑎𝑠 Coeficiente de solubilidad.
𝑑𝑚 𝑑𝑡
⁄ Velocidad de transferencia de oxígeno en la película liquida (mg).
𝑚 Masa de oxígeno disuelto en el líquido.
𝐶 Concentración de oxígeno disuelto en la película liquida (mg/L).
𝐷 Coeficiente de difusión del oxígeno en la película liquida (m2/h).
𝐴 Área de transferencia (m2).
𝑥 Distancia de la interfase liquido gas hacia el fondo del líquido.
𝑡 Tiempo.
𝐶𝐿 Concentración de oxígeno disuelto en la masa total de agua (mg/L).
𝐶𝑠 Concentración de saturación de oxígeno disuelto en el líquido (mg/L).
𝑒𝑔 Espesor de la película gas.
𝑁 Masa de oxígeno transferido (g/h).
𝐾𝐿 Coeficiente de película liquida.
𝑎 Área de la interfase por unidad de volumen de líquido.
MLSS Concentración de licor mezcla en ppm.
NAPL Liquido en fase no-acuosa.
PTAR Planta de tratamiento de aguas residuales.
ÍNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA ... 3
AGRADECIMIENTO ... 4
RESUMEN ... 5
INTRODUCCIÓN ... 6
OBJETIVOS ... 8
ÍNDICE DE TABLAS ... 12
ÍNDICE DE FIGURAS ... 13
INDICE DE FOTOGRAFIAS ... 14
CAPITULO I ... 15
MARCO TEÓRICO ... 15
1.1. Antecedentes ... 15
1.2. Bases Teóricas ... 20
1.2.1. Aguas Residuales ... 20
1.2.2. Clasificación de Aguas Residuales ... 20
1.2.3. Parámetros de Calidad de Aguas Residuales ... 23
1.2.4. Tratamiento de Aguas Residuales ... 27
1.2.5. Sistema de Aireación ... 31
1.2.6. Difusores de Aire ... 32
1.2.7. Concentración de Oxígeno Disuelto ... 35
1.2.8. Transferencia de Oxigeno por Aireación... 38
1.2.9. Velocidad de Transferencia de Oxígeno por Aireación ... 41
1.2.10. Desoxigenación del Agua ... 42
CAPITULO II ... 43
METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ... 43
2.1 Equipos y Materiales... 44
2.1.1. Agua Residual Domestica Sintética ... 44
2.2 Descripción del Módulo Experimental ... 45
2.3 Población y Muestra ... 47
2.4 Procedimiento Experimental ... 47
2.5 Técnicas de Procesamiento de Datos ... 48
CAPITULO III ... 49
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 49
3.1 Concentración de Oxígeno Disuelto ... 49
3.2 Análisis de Regresión para determinar (𝐾𝐿. 𝑎) ... 53
3.3 Prueba de Hipótesis... 56
CONCLUSIONES ... 58
RECOMENDACIONES ... 59
BIBLIOGRAFÍA ... 60
ANEXOS ... 63
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Características de las Aguas Residuales Domesticas ... 21
Tabla 2: Características de las Aguas Residuales Municipales ... 21
Tabla 3: Valores Característicos de los Consumos de Agua ... 22
Tabla 4: Composición del Agua Residual Domestica Sintética ... 23
Tabla 5: Compuestos Orgánicos Existentes en Aguas Residuales Domesticas ... 23
Tabla 6: Solubilidad del Oxígeno Disuelto en el Agua ... 24
Tabla 7: Características de los Difusores de Disco de Burbuja Fina ... 32
Tabla 8: Características de Difusores de Disco de Burbuja Gruesa ... 33
Tabla 9: Característica de los Difusores Tubulares de Burbuja Fina ... 34
Tabla 10:Caracteristicas de los Difusores Tubulares de Burbuja Gruesa ... 35
Tabla 11: Dependencia de la Concentración de Oxígeno Disuelto Respecto a la Temperatura del Agua ... 36
Tabla 12: Constantes de Henry ... 37
Tabla 13: Diseño Experimental ... 44
Tabla 14: Cantidad de sustancias adicionadas para preparar el Agua Residual Domestica Sintética ... 45
Tabla 15: Tiempos de Saturación con Oxígeno Disuelto ... 51
Tabla 16: KL.a Calculados para las Muestras de Agua Potable ... 55
Tabla 17: KL.a Calculados para las Muestras de Agua Contaminada ... 55
Tabla 18: ANOVA para Prueba de Hipótesis con Agua Potable ... 56
Tabla 19: ANOVA para Prueba de Hipótesis con Agua Contaminada ... 56
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Curva Característica de la DBO ... 25
Figura 2: Variacion del Nitrogeno Organico en Condiciones Aerobias ... 27
Figura 3: Proceso de Tratamiento de Aguas Residuales ... 28
Figura 4: Difusor de Disco de Burbuja Fina... 33
Figura 5: Difusor de Disco de Burbuja Gruesa ... 33
Figura 6: Difusor Tubular de Burbuja Fina ... 34
Figura 7: Ley de Henry ... 37
Figura 8: Desviación a la Ley de Henry ... 38
Figura 9: Esquema de la Teoría de la Doble Película... 39
Figura 10: Equipo Experimental... 45
Figura 11: Esquema del recipiente y muestras de agua a diferentes profundidades de sumergencia ... 46
Figura 12: Evolución del Oxígeno Disuelto Durante los Experimentos de Aireación. ... 50
Figura 13: Temperaturas Registradas en los Experimentos Aireación ... 53
Figura 14: El Oxígeno Disuelto Durante los Experimentos Aireación ... 54
INDICE DE FOTOGRAFIAS
Fotografía 1: Pesado de Reactivos... 63 Fotografía 2: Visualización de las Variables en el Registrador de Datos (OD, T)... 64 Fotografía 3: Prueba con Difusor de Burbuja Fina a una Profundidad de 35cm (Agua Potable) ... 64 Fotografía 4: Prueba con Difusor de Burbuja Fina a una Profundidad de 35cm (Agua Contaminada)... 64 Fotografía 5: Prueba con Difusor de Burbuja Gruesa a una Profundidad de 70cm (Agua Potable) ... 64 Fotografía 6: Prueba con Difusor de Burbuja Fina a una Profundidad de 105cm (Agua Potable) ... 64 Fotografía 7: Prueba con Difusor de Burbuja Gruesa a una Profundidad de 105cm (Agua Potable) ... 64
CAPITULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes
(Bao et al., 2019) Realizo el trabajo de investigación titulada “Reactive Mass Transfer of single O2 bubbles in a Turbulent flow Chamber”. El objetivo fue cuantificar la transferencia de oxígeno en una sola burbuja. El investigador empleo un método cuantificador no intrusivo para medir la transferencia de oxígeno en una sola burbuja con respecto a la solución turbulenta del Na2SO3 este impulsa a la que burbuja sea circular. El cambio de la posición, tamaño y velocidad de la burbuja fueron captadas por una cámara de alta gama, los coeficientes de transferencia de masa reactiva promedio se hallaron desde la disminución de la única burbuja. Se otorgaron los factores de perfeccionamiento en distintas condiciones de flujo causados por la reacción química catalizada, mediante el velocímetro de imágenes de la cámara de alta gama se calculó el campo de flujo, se realizó una comparación entre el campo de flujo instantáneo y el campo de flujo multifásico en términos del efecto de la burbuja. El investigador hallo que la velocidad de deslizamiento cuenta con una elevada capacidad para conservar la superficie de la burbuja móvil con esto concluyo que el número de Reynolds liquido aporta a la transferencia de masa.
(Colombet et al., 2018) Realizo el trabajo de investigación titulada “On Single Bubble Mass Transfer in a Volatile Liquid”. El objetivo fue investigar una sola burbuja dinámica y la transferencia de masa en presencia de una fase liquida volátil. El investigador uso el procedimiento de imágenes para poder medir la velocidad de la única burbuja, tamaño y la forma. La experimentación se realizó en un reactor presurizado, P= 20bar, 30°C ≤ 𝑇 ≤ 150°𝐶 y Numero de Reynolds= 10 a 100. Se encuentra como resultado, que la transferencia de masa es isotérmica, la evaporación liquida en burbujas fue encajado con la transferencia de masa. La temperatura en la evaporación del líquido es desconocida, de modo que, la estimación del tiempo de saturación corresponde a un límite inferior al tiempo desde la trasferencia de calor del líquido a la interfaz, para una mejor evaporación se debe incrementar el tiempo necesario para la saturación. De este modo, las
temperaturas más bajas dificulto explorar si la fase liquida, esta evaporada en la burbuja.
Los autores llegaron a la conclusión, que este fenómeno es la consecuencia de poseer un alto número de Lewis.
(Xu et al., 2017) Realizo el trabajo de investigación titulada “Reactive Mass Transfer of single O2 Bubbles in a Turbulent Flow Chamber”. El objetivo fue evaluar los parámetros de transferencia de masa de oxígeno en función del estado operativo de los biorreactores de membrana a gran escala. Los biorreactores de membrana han evolucionado vertiginosamente en China a causa de la alta calidad de efluentes. El país asiático logro el 7.5 × 106 𝑚3/𝑑 de la capacidad total de tratamiento por biorreactores de membrana lo que equivalió al 29% del volumen total para el tratamiento de aguas municipales en el país asiático, con un consumo de energía relativamente elevado, siendo este el principal inconveniente para la mayoría de la población. El investigador menciona que entre el 60-70 % de la energía se gasta por aireación puede ser en un tanque aerobio para la reacción biología o un tanque de membrana para el lavado de la membrana. La evaluación de los parámetros de transferencia de masa por oxigeno es de significancia para el diseño perfeccionado del sistema de aireación de un proceso de biorreactor de membrana a gran escala, la intensidad de la aireación y la profundidad de sumergencia del difusor dieron un efecto positivo con respecto al coeficiente de transferencia de oxígeno (𝑘𝑙 𝛼), por otro lado, la concentración de los sólidos en suspensión del (MLSS) y la viscosidad aparente dieron un efecto negativo. El investigador propuso expresiones cuantitativas para encontrar el valor a 𝛼 en condiciones de aireación comunes. Para el diseño perfeccionado del sistema de aireación de un proceso de biorreactor de membrana, en de suma importancia que se tenga en consideración el efecto de las condiciones de aireación y las propiedades del (MLSS) en la evaluación de los parámetros de transferencia de oxígeno.
(Cheng et al., 2016) Realizo el trabajo de investigación titulada “ Effect of the Different Shapes of air Diffuser on Oxygen Mass Transfer Coefficients in Microporous Aeration Systems”. El objetivo fue evaluar el efecto de las diferentes formas de aire Difusor en los coeficientes de masa de oxígeno. La protección del medio ambiente, la fácil instalación, la adaptación. Estos fueron usaron ampliamente en los lagos, ríos, estanques y aguas residuales, de modo que, es necesario aumentar el oxígeno. Realizaron una transferencia de masa en las interfases entre las burbujas de aire en el agua y oxígeno.
Los efectos de las diferentes formas del difusor (I, C, S y disco). Se realizaron pruebas, analizando comparativamente la aireación, efectos del difusor en sus diferentes formas, las diferentes profundidades de agua y la aireación a diferente flujo. Bajo a las condiciones de la misma profundidad de agua y caudal de aire, la eficiencia de aireación optima está siendo utilizada por el difusor de forma I, difusor en forma c y disco, el más pobre es utilizada por el difusor forma S. Concluyeron que el mayor rendimiento de aireación es en forma de I, y con menor rendimiento es en forma S.
(Chavan & Madhusudan, 2014) Realizo el trabajo de investigación titulada “Oxygen Mass Transfer in Biological Treatment System in the Presence of Non-Aqueous Phase Liquid”. El objetivo fue mejorar un fenómeno de transferencia de masa de oxígeno en procesos de tratamiento biológico mediante la incorporación de productos no acuosos fase de líquidos en el sistema de tratamiento. El investigador menciona que, la transferencia de masa de oxígeno es un fenómeno criterio primordial en el tratamiento biológico de las aguas residuales. Los investigadores nos dieron a conocer el impacto positivo de los hidrocarburos en el proceso de transferencia de oxígeno en los procesos de fermentación, biodegradación de tanque agitado. Los investigadores descubrieron hidrocarburos C12 hasta C16 este tipo de hidrocarburos tienen la solubilidad en el oxígeno de 39.48 mg/L a 250 °C, del mismo modo, los NAPL tienen la condición de transportar oxigeno de una fase a la otra. Encontraron que el fenómeno de transferencia de más de oxígeno en presencia de NAPL, se da el coeficiente propagación. Concluyendo que el NAPL es un impacto positivo en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
(Changqing et al., 2011) Realizo el trabajo de investigación titulada “The Oxygen Transfer Efficiency and Economic Cost Analysis of Aeration System in Municipal Wastewater Treatment Plant”. El objetivo discutir la eficiencia de oxígeno y costo del sistema de aireación de la PTAR en la provincia Shandon. El investigador realizo el estudio de la tasa de transferencia de oxígeno estándar de un aireador nuevo con un antiguo, el tratamiento de aguas residuales por aireación establece una posición trascendental en la tecnología actual, los costos elevados en energía producidos en el proceso de tratamiento de aguas residuales por aireación se han convertido en un problema de gran significancia en la operación de las estaciones depuradoras de aguas residuales. A mayor duración de la operación, la capacidad de oxigenación del aireador se reduce gradualmente. En la investigación se observó que la tasa de transferencia de oxígeno estándar con el aireador antiguo se redujo notoriamente, entre el nuevo y antiguo aireador, cuan más elevado se la tasa de aireación, mayor será la diferencia de la tasa de transferencia de oxígeno estándar, con respecto al costo el aireador antiguo genera más gasto que el nuevo aireador, concluyendo que es más eficiente el aireador nuevo con respecto a la tasa de transferencia de oxígeno estando y la reducción de energía eléctrica.
(Leu et al., 2009) Realizaron el trabajo de investigación titulada “Real Time Aeration Efficiency Monitoring in the Activated Sludge Process and Methods to Reduce Energy Consumption and Opering Costs” El objetivo fue demostrar cómo se puede monitorear la eficiencia de la transferencia de oxígeno en tiempo real para disminuir los costos de energía. El investigador menciona que la aireación con difusores de burbuja fina ha sido utilizada con mucha frecuencia para el tratamiento de aguas residuales municipales, los difusores de burbuja fina han sido empleados para disminuir el consumo de energía, desgraciadamente los difusores de burbuja fina sufren de incrustaciones que generan la disminución acelerada del rendimiento de aireación y con ello el aumento del consumo de energía. Los difusores de burbuja fina no solo adolecen un descenso en la eficiencia de transferencia de oxígeno sino también posee una contrapresión alta. La del difusor es depende del lugar, el mantenimiento se debe realizar cada seis meses, el mantenimiento del difusor hace que se recupere la eficiencia de la transferencia de oxígeno de un 16.1%
a 18.6%, por lo cual, también disminuye el consumo de energía de 235kW a 193 kW.
(Fayolle et al., 2007) Realizaron el trabajo de investigación titulada “Oxygen Transfer Prediction in Aeration Tanks Using CFD”. El objetivo fue presentar una herramienta numérica ratificada experimentalmente capaz de predecir las características de transferencia de flujo y oxígeno en tanques de aireación con difusores de poros finos y mescladores axiales de mínima velocidad. El proceso de aireación representa casi el 70%
del gasto energético total de la operación. El investigador necesito mejorar la aireación para disminuir los costos de operación, con la finalidad de asegurar un tratamiento fiable y competente en las instalaciones. La herramienta numérica ha sido ratificada por medio del cotejo de datos medidos y calculados en términos de velocidad axial del líquido, detención del gas loca y coeficiente de transferencia de oxígeno cuatro tanques de diferentes dimensiones, la cual pronostica de manera correcta las velocidades axiales del líquido y los perfiles de detención del gas. Las medidas planteadas admiten tener en consideración los efectos complejos y competitivos de la presión, esencialmente sobre el tamaño de la burbuja a lo largo de su ascenso, la herramienta ratificada se ampliará para poder predecir y optimizar las capacidades de oxigenación en los tanques en gran escala, todo ello dependerá del tamaño de la burbuja.
(Al-Ahmady, 2006) Realizo el trabajo de investigación titulada “Analysis of Oxygen Transfer Performance in Sub-surface Aeration Systems”. El objetivo fue analizar el rendimiento de la transferencia de oxígeno. El autor menciona que, la transferencia de oxígeno depende del tipo, tamaño y formas de difusores también influye la geometría del tanque. Los sistemas de difusión de aire burbujas se distribuyen desde los difusores en la base del tanque, la transferencia de oxígeno tiene lugar a partir de las burbujas que suben para así poder suministrar los requerimientos de oxígeno para el proceso biológico. Los resultados, determinan que la profundidad del agua y el grado de área de cobertura de difusor tuvieron afecto significativo sobre los parámetros ya alisados. El porcentaje de absorción del oxígeno, es afectado por la variación del nivel de difusores.
Durante la prueba, este porcentaje oscilo entre 0.45 – 5.4 % dependiendo estrictamente de las condiciones.
1.2. Bases Teóricas 1.2.1. Aguas Residuales
Se puede definir a las aguas residuales como aquellas aguas que has sufrido algún tipo de modificación en su estado original, causada por desarrollo y la civilización del hombre, dado a ello, estas aguas requieren un tratamiento previo para su reutilización.
(Bermeo & Salazar, 2013), define a las aguas residuales a aquellas aguas con diferentes composiciones procedentes de los servicios agrícolas, domésticos, entre otros, que causen degeneración de sus características originales.
Las aguas residuales son aguas que has sufrido una alteración en sus características originales, a causa de las actividades humanas, dado ello, dichas aguas necesitan un tratamiento para que puedan ser reusadas.(Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental ( OEFA), 2015)
Según (UDEP, 2012), las aguas residuales son aquellas aguas que han sido usadas para el consumo humano entre otros tipos de uso, dado a ello, estas aguas presentan en su composición sustancias que degradan la calidad original.
1.2.2. Clasificación de Aguas Residuales
La clasificación de las aguas residuales se da de la siguiente manera:
1.2.2.1. Aguas Residuales Domesticas
Las aguas residuales domesticas son aguas generadas por la actividad humana (lavado de platos, servicios sanitarios entre otras actividades), dado a ello, en su composición se hallan desechos fisiológicos y es importante que sean dispuestas adecuadamente, estas aguas se subdividen en aguas negras y aguas grises, las aguas residuales domesticas cuentan con algunos parámetros característicos que se presenta en el siguiente cuadro. (Zaragoza, 2010)
Tabla 1: Características de las Aguas Residuales Domesticas
CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES TIPICAS DOMESTICAS
PARAMETROS (mg/lt.) FUERTE MEDIA DEBIL
Sólidos en Total 1200 700 350
Disueltos en Total 850 500 250
Fijos 525 300 145
Volátiles 325 200 105
Suspendidos en total 360 200 100
Fijos 75 50 30
Volátiles 275 150 70
Solidos Sedimentables (ml/lt) 20 10 5
D.B.O. (5).20 Grados Centígrados 300 200 100
Carbono Inorgánicos Total (C.O.T) 300 200 100
Demanda Química de Oxigeno (D.Q.O) 1000 500 250
Nitrógeno total 85 40 20
Nitrógeno Orgánico 35 15 8
Amoniaco libre 50 25 12
Fosfato Total 20 10 6
Fosforo Orgánico 5 3 2
Fosforo Inorgánico 15 7 4
Cloruros 100 50 30
Alcalinidad (CaCO3) 200 100 60
150 100 60
Fuente: (Metcalf and Eddy, 1995)
1.2.2.2. Aguas Residuales Municipales
Las aguas residuales municipales también conocidas como aguas servidas, las aguas residuales municipales están compuestos por aguas de drenaje pluvial y aguas residuales de procedencia industrial, estas son trasladadas por el alcantarillado después de un previo tratamiento, las aguas residuales municipales tienen parámetros característicos que se presenta en el siguiente cuadro. (Díaz & Caballero, 2015)
Tabla 2: Características de las Aguas Residuales Municipales
CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES
PARAMETROS (mg/la.) FUERTE MEDIA DEBIL
Sólidos en Total 1200 720 35
Disueltos en Total 850 500 250
Fijos 525 300 145
Volátiles 325 200 105
Suspendidos en total 350 220 100
Fijos 75 55 20
Volátiles 275 165 80
Sediméntales 20 10 5
D.B. O 400 220 110
Carbono Inorgánicos Total (C.O.T) 290 160 80
Demanda Química de Oxigeno (D.Q.O) 1000 500 250
Nitrógeno total 85 40 20
Orgánico 35 15 8
Amoniacal 50 25 12
Nitritos 0 0 0
Nitratos 0 0 0
Fosforo Total 15 8 4
Orgánico 5 3 1
Inorgánico 10 5 3
Cloruros 100 50 30
Alcalinidad 200 100 50
Grasas - Aceites 150 100 50
Fuente: (Metcalf and Eddy, 1995)
1.2.2.3. Aguas Residuales Industriales
Las aguas residuales industriales son aguas generadas por la actividad industrial, entre estas actividades se encuentra, la minería, agrícola, energética y agroindustrial, la composición es cambiante, todo es respecto a la actividad industrial. Se considera a la actividad agroindustrial como potencial consumidor de agua, en las cuales encontramos a las industrias de conserva, química y alimenticia. A continuación se presenta una tabla con los valores característicos de los consumos de agua.(Lozano-Rivas, 2016)
Tabla 3: Valores Característicos de los Consumos de Agua
Fuente: (Metcalf and Eddy, 1995)
1.2.2.4. Aguas Residuales Sintéticas
En la actualidad trabajar con aguas residuales cruda ha traído ciertos inconvenientes, tales como, el traslado de la muestra al laboratorio y el riesgo a la que se expone el
Industria Caudal
(m3/ ton producto) Conservera
Judías 45-65
Melocotones y peras 14-18 Otras frutas y verduras 4-32 Química
Amoníaco 90-270
Dióxido de carbono 51-80
Lactosa 545-725
Azufre 7-9
Alimentaria y bebidas
Cerveza 9-15
Pan 2-4
Envasado de carne 15-20 Productos Lácteos 9-20
Whisky 50-70
Pasta y papel
Pasta 225-720
Papel 110-140
Textil
Blanqueado 180-270
Tinte 25-50
personal que va manipular el agua residual cruda, dado ello diferentes investigadores han optado por utilizar las aguas residuales sintéticas.(Martínez-Santacruz et al., 2016)
Las características de las aguas residuales sintéticas son semejantes a las características de las aguas residuales cruda, su elaboración se realiza en el laboratorio. A continuación, se muestra la composición característica del agua residual sintética.
(Mateo & Díaz, n.d.)
Tabla 4: Composición del Agua Residual Domestica Sintética
Compuesto Concentración
Peptona 250
sacarosa 60
Almidón 140
Lípidos (Aceite de Soya) 50
Sulfato de Amonio (NH4)2SO4) 30 Fosfato de Dibásico Sodio (Na2HPO4) 6 Nota: El DQO es de 500 mg/L
1.2.3. Parámetros de Calidad de Aguas Residuales
Es de suma importancia conocer los parámetros de calidad de las aguas residuales, para que así, podamos ampliar los conocimientos respecto a estos parámetros a continuación (Orozco & Salazar, 2005) nos presenta los más importantes:
1.2.3.1. Materia Orgánica
Según (Viva & Tarabana, 2009) la materia orgánica es la mezcolanza heterogénea de macromoléculas que están compuestos de carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y azufre, la materia orgánica está formado en casi un 70% por las proteínas, carbohidratos y lípidos, todo ello procedentes de la actividad humana. En la tabla se muestra la materia orgánica presentes en las aguas residuales domésticas.
Tabla 5: Compuestos Orgánicos Existentes en Aguas Residuales Domesticas Compuesto Orgánico Scotti
1968
Tebbutt 1977
Metcalf y Edy 1995
Proteinas 40 65 40-60
Carbohidratos 50 25 25-50
Lipidos 10 10 10
Fuente: (Rodríguez Sánchez & Lozano Rivas, 2012)
1.2.3.2. Oxígeno Disuelto
(Muñoz et al., 2015) define al oxígeno disuelto como la cantidad de oxígeno gaseoso que se encuentra diluido en el agua. Para tratamiento de aguas residuales el oxígeno es el principal parámetro, dado que, los organismos requieren del oxígeno disuelto para poder conservar su proceso metabólico y así poder conseguir energía y llevar acabo su reproducción. Por otro lado, el oxígeno disuelto es el indicador primordial que muestra que tan contaminado está el agua, esto se debe a que, la materia orgánica presente en el agua contaminada suele consumir directamente el oxígeno disuelto. Se conoce que el oxígeno es un gas de baja solubilidad y por ello no reacciona con el agua, la concentración de saturación del oxígeno se encuentra entre los 7 mg/L esto a 35°C y 14.7 mg/L esto a 0°C a 1 atm de presión. En la siguiente tabla se muestra las concentraciones de oxígeno disuelto con distintas T° y diferentes concentraciones de cloruros.
Tabla 6: Solubilidad del Oxígeno Disuelto en el Agua
Fuente: (Orozco & Salazar, 2005) Temperatura
C°
Concentracion de Cloruros (mg/L) 0 5000 10000 15000 20000
0 14.6 13.8 13.0 12.1 11.3
1 14.2 13.4 12.6 11.8 11.0
2 13.8 13.1 12.3 11.5 10.6
3 13.5 12.7 12.0 11.2 10.5
4 13.1 12.4 11.7 11.0 10.3
5 12.8 12.1 11.4 10.7 10.0
6 12.5 11.8 11.1 10.5 9.8
7 12.2 11.5 10.9 10.2 9.6
8 11.9 11.2 10.5 10.0 9.4
9 11.6 11.0 10.4 9.8 9.2
10 11.3 10.7 10.1 9.6 9.0
11 11.1 10.5 9.9 9.4 8.8
12 10.8 10.3 9.7 9.2 8.6
13 10.6 10.1 9.5 9.0 8.5
14 10.4 9.9 9.3 8.8 8.3
15 10.2 9.7 9.1 8.6 8.1
16 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0
17 9.7 9.3 8.8 8.3 7.8
18 9.5 9.1 8.6 8.2 7.7
19 9.4 8.9 8.5 8.0 7.6
20 9.4 8.7 8.3 7.9 7.4
21 9.0 8.5 8.1 7.7 7.3
22 8.8 8.4 8.0 7.6 7.1
23 8.7 8.3 7.9 7.4 7.0
24 8.7 8.1 7.7 7.3 6.9
25 8.4 8.0 7.6 7.2 6.7
26 8.2 7.6 7.4 7.0 6.6
27 8.1 7.7 7.3 6.9 6.5
28 7.9 7.5 7.1 6.8 6.4
29 7.8 7.4 7.0 6.6 6.3
30 7.6 7.3 6.9 6.5 6.1
1.2.3.3. DBO
(Lecca & Lizama, 2014) define a la demanda bioquímica de oxígeno como la cantidad de oxígeno que se requiere para degradar a la materia orgánica existente en el agua residual por medio de la acción de las bacterias en condiciones aerobias. La demanda bioquímica de oxígeno es considerada un método indirecto para medir la materia orgánica. En la actualidad la demanda bioquímica de oxígeno se evalúa realizando una incubación de una muestra contenida de microorganismos por 5 días a una temperatura de 20° y esta nombrada como DBO5, esta no es la única manera de evaluar la demanda bioquímica de oxígeno, ya que se puede evaluar muestras en 7 o 20 días y estas son denominadas DBO7, DBOt respectivamente, con respecto a las aguas residuales el DBO5
es equivalente a 0.70 DBOu. La demanda bioquímica de oxígeno cuenta con una curva peculiar donde se evidencia el 70% de la materia orgánica ha sido degradada a los 5 días, desde el décimo día para adelante la curva se convierte asintótica, esto observa en la figura 1.
Figura 1: Curva Característica de la DBO Fuente: (Ramalho, 1996).
1.2.3.4. DQO
(Coy, 2007) define la demanda química de oxígeno como la cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar la materia orgánica biodegradable y no biodegradable en una muestra de agua, a diferencia de la demanda bioquímica de oxígeno que degrada la materia orgánica por medio del metabolismo bacterial, la demanda química de oxígeno
emplea la respiración como recurso para adquirir el oxígeno. La demanda química de oxígeno usa un agente oxidante potente en medio acido, este oxidante es K2Cr2O7 y como catalizador se utiliza el Ag2SO4. La DQO es el método más usado a comparación del método de DBO, ya que el método de la demanda química de oxígeno genera menos error.
1.2.3.5. pH
El pH es la medición de concentración de iones de hidrogeno que se encuentran en una muestra de agua, donde marca si la muestra de agua es acida o alcalina, la escala el pH se encuentra entre los valores de 0 a 14, según (Negri, 2005) el pH de las aguas residuales domesticas se encuentra en un rango de 6.7 a 8.
1.2.3.6. Sólidos Totales
Los sólidos totales son retos de una muestra que ha pasado por un proceso de evaporación y posterior a ello ha sido secado a una temperatura de 103°C aproximadamente, este parámetro que comprende a los sólidos suspendidos y solidos disueltos. Los sólidos suspendidos son pequeños fragmentos de los sólidos totales que son captados mediante un filtro, por otro lado, los sólidos disueltos son los fragmentos que pasaron por el filtro y estos son evaporados y secados a una temperatura determinada.
1.2.3.7. Nitrógeno
El nitrógeno nutriente que ayuda a las algas y bacterias en su desarrollo, estas son indispensables para el tratamiento de aguas residuales, por otro lado, es el componente primordial de las proteínas, este parámetro está comprendido por el nitrógeno orgánico, amoniaco, nitritos y nitratos. La concentración de nitrógeno presentes en el agua residual domestica oscila entre los 35-60 mg/l. E la figura 2 se muestra la variación del nitrógeno orgánico en condiciones aerobias.
1.2.3.8. Fosforo
El fosforo al igual que el nitrógeno ayudan a los microorganismos en su desarrollo, el fosforo en las aguas residuales se presentan en modo de ortofosfatos ( PO4-3, HPO4-2, HPO4-, H3PO4), con respecto, la concentración de fosforo presentes en el agua residual domestica varía entre 4- 15 mg/L, por lo que, la descarga de las aguas residuales domesticas podrían provocar la eutroficación.
1.2.4. Tratamiento de Aguas Residuales
El tratamiento de las aguas residuales comprende una secuencia de operaciones físicas, procesos químicos y procesos biológicos, el propósito de realizar el tratamiento a estas aguas es depurar las sustancias contaminantes presentes en esta, para poder así obtener aguas que puedan ser reutilizadas por el ser humano. El grado de tratamiento que requiera, se determina verificando las características con las que cuenta en agua residual.
Por otro lado, el tratamiento de aguas residuales domesticas cuenta con un proceso particular, estas se dividen en las etapas de pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario. (Ramos Vargas, 2014)
Figura 2: Variacion del Nitrogeno Organico en Condiciones Aerobias
Figura 3: Proceso de Tratamiento de Aguas Residuales
1.2.4.1. Pretratamiento
La etapa de pretratamiento tiene como finalidad retener los materiales gruesos, cuerpos gruesos o arenosos, la presencia de estos materiales en el agua podrían generar problemas en el tratamiento total y causar daños a las maquinarias que se utilizan para dicho tratamiento, cabe recalcar que la etapa de pretratamiento no impacta a la materia orgánica presente en el agua residual doméstica. En esta etapa se realiza una serie de operaciones. .(Rossi, 2010)
❖ Desbaste: La operación de desbaste tiene como finalidad de retener las sustancias de tamaño excesivo, haciendo pasar al efluente por unas rejillas y estas puedan retener estos materiales.
❖ Tamizado: La operación del tamizado consiste en realizar una filtración, este proceso tiene la misma finalidad que el proceso anterior que es retener los materiales de tamaño excesivo y que estas no puedan causar interferencias en tratamientos posteriores.
❖ Desarenador: El proceso de desarenado tiene como propósito separar las partículas granulométricas superiores a las 200 micra, con el objetivo de prevenir la generación de sedimentos en las conducciones.
❖ Desaceitado y desengrasador: El proceso de desaceitado y desengrasador tiene el fin de eliminar acetites, grasas, entre otros materiales flotantes en el agua, de este modo, se evita que se generen distorsiones en tratamientos posteriores.
1.2.4.2. Tratamiento Primario
El tratamiento primario tiene como finalidad remover parte de los sólidos en suspensión presentes en las aguas residuales, el agua residual que pasa por un tratamiento primario contiene materia orgánica en cantidades significativas, del mismo modo, cuenta con una demanda bioquímica de oxígeno elevada. El tratamiento primario se realiza mediante procesos físicos y químicos, los principales procesos son, proceso de sedimentación, flotación, filtración, coagulación y floculación.(Rossi, 2010)
❖ Sedimentación: En el proceso de sedimentación se realiza la separación de solidos por gravedad, esto se refiere que una partícula con mayor peso específico posea un recorrido descendente y así este puede caer a la base del tanque, todo está relacionado a la densidad del líquido y tamaño.
❖ Flotación: En el proceso de flotación se realiza la separación de la materia sólida y materia liquida que contengan una densidad que sea más baja que la densidad del fluido.
❖ Coagulación y Floculación: En el proceso de coagulación y floculación la extracción de los sólidos en suspensión y coloidales se realizan con mayor facilidad, estos procesos se ejecutan paralelamente, los factores que ayudan a impulsar la coagulación y floculación son la gradiente de velocidad, pH y el tiempo.
❖ Filtración: En el proceso de filtración, el fluido pasa por un medio poroso ( lecho de arena), con la finalidad de retener materia en suspensión en mayor cantidad posible.
1.2.4.3. Tratamiento Secundario
El tratamiento secundario es también conocido como tratamiento biológico, este tratamiento tiene como propósito depurar la materia orgánica que se encuentra en las aguas residuales. Para lograr depurara la materia orgánica se requiere de microorganismos(bacterias), los microorganismos necesitan fuentes de energía y carbono para su desarrollo y la materia orgánica cuenta con eso. El tratamiento secundario ayuda a oxidar la materia orgánica biodegradable con la ayuda de los microorganismos y aceleran el tratamiento.(Rossi, 2010)
❖ Lagunas Aireadas: Las lagunas aireadas son depósitos superficiales de aguas residuales que emplean grandes extensiones de terreno. Las aguas residuales son oxigenadas con aireadores (difusores), la aireación ayuda oxidación bacteriana.
❖ Lodos Activados: Se junta el agua residual aireada con las bacterias aerobias.
Esto hace que la materia orgánica degrade la materia floculante del agua residual posterior a ello se puede realizar la decantación, el proceso de lodos activados tiene como ventaja, que se realiza en corto tiempo y ayuda a tratar aguas residuales en grandes volúmenes.
1.2.4.4. Tratamiento Terciario
El tratamiento terciario también conocido como tratamiento avanzado, tiene como propósito eliminar los contaminantes que perduran después de los tratamientos posteriores, en este proceso se quita el color y olor del agua residual, se eliminan los microorganismos patógenos, del mismo modo, se retirar los fosfatos y nitratos de las aguas residuales, que generan la eutrofización. Para obtener un agua que pueda ser reutilizada se requiere la cloración de esta, y así pueda ser más pura. El tratamiento avanzado es el más costoso. Las técnicas que se puede emplear para este tratamiento son, arrastre de vapor de agua, proceso de membrana, intercambio iónico, adsorción con carbón activado, procesos de oxidación. .(Rossi, 2010)
1.2.5. Sistema de Aireación
La aireación es un proceso por el cual se aumenta el área de contacto con el aire, de modo que, se pueda agilizar el cambio de gases y sustancias volátiles. La aireación se lleva a cabo por diferentes razones, eliminación de gases disueltos, incorporación de oxígeno del aire al agua y para la sustracción de sustancias causantes de sabores y olores.
(Ovezea, 2009).
La aireación es un proceso del tratamiento de las aguas residuales, donde el agua se encuentra en contacto con el aire, gracias a eso, se eleva el contenido de oxígeno. La aireación transmite moléculas de oxígeno de aire, este proceso suprime gases no deseados, y a esto se le denomina desgasificación.(Nieto, 2012)
Los procesos biológicos como el sistema de aireación tienen la finalidad de brindar oxígeno y unirlo con el agua, y así poder eliminar las sustancias volátiles. Por otro lado, los procesos de tratamientos biológicos necesitan por lo menos de 0.2 a 2.0 mg/L de oxígeno disuelto, para así, poder garantizar la cantidad de oxígeno suficiente, que requiera los microorganismos para su consumo.
1.2.5.1. Tipos de Aireación
Los tipos de aireación según (Ronzano & Dapena, 2016) están subdividas en, aireación mecánica, aireación por medio de difusores de aire y aireación en cascada.
❖ Aireación Mecánica: Para la aireación mecánica se hace uso de aireadores de superficie y aireadores de turbina, estas usan la energía mecánica para ocasionar el rompimiento del agua en gotas. Por otro lado, los niveles de transferencia de oxígeno elevados se recomienda usar aireadores de turbinas sumergidas
❖ Aireación por Medio de Difusores: En la actualidad, la aireación mediante difusores es la más utilizado para el tratamiento de aguas residuales domésticas.
Para una planta de tratamiento suelen utilizar difusores poros, y no porosos todo depende de la profundidad de sumergencia de los difusores. Por un lado, los
difusores porosos son más eficientes que los difusores no porosos, con respecto a transferencia de oxígeno.
❖ Aireación en Cascada: Este tipo de aireación son más utilizadas en torres de enfriamiento, estos utilizan la energía libre cuando el agua disminuye en su altitud. La eficiencia de la aireación en cascada depende de la cantidad de oxígeno disuelto.
1.2.6. Difusores de Aire
En la actualidad existen diferentes tipos de difusores de aire, los difusores brindan una aireación con elevada transferencia de oxígeno, por otro lado, nos ofrece la disminución de carga que aminora el consumo de energía al máximo. Los difusores de aire por usados mayormente en el tratamiento de aguas residuales ya que es de suma importancia realizar el sistema de aireación mediante difusores para activar el proceso biológico de oxidación de la materia orgánica, (Zenit, 2010) nos presenta los diferentes tipos de difusores.
1.2.6.1. Difusores de Disco de Burbuja Fina
Los difusores de disco de burbuja fina son utilizados en procesos de purgación de aguas residuales con un sistema de aireación constante, este tipo de difusor es recomendado por su alto rendimiento, cuenta con un diseño con membrana de elastómero microperforado, dado a ello, nos asegura una elevada eficiencia energética con respecto a la transferencia de oxígeno y perdidas de carga. Los difusores de disco de burbuja fina cuentan con características específicas.
Tabla 7: Características de los Difusores de Disco de Burbuja Fina
Fuente: (Zenit, 2010)
OXYPLATE 9 OXYPLATE 12
Diametro externo 9" (270 mm) 12" (340 mm)
Caudal min. operativo (Nm3/h) 2 2
Caudal máx. operativo (Nm3/h) 6 10
Caudal limite 10 15
Superficie activa (m2) 0.038 0.06
Espesor de la membrana (mm) 2±0.15 2±0.15
Figura 4: Difusor de Disco de Burbuja Fina
1.2.6.2. Difusores de Disco de Burbuja Gruesa
Los difusores de disco de burbuja fina son utilizados para la depuración de aguas residuales con un sistema de aireación constante donde no se necesite altas tasas de eficiencia en la transferencia de oxígeno. Los difusores de disco de burbuja fina cuentan con un diseño de acrílico negro y una membrana de elastómero microperforado, por otro lado, estos difusores posen una protección contra la radiación ultravioleta.
Tabla 8: Características de Difusores de Disco de Burbuja Gruesa
Fuente: (Zenit, 2010)
Figura 5: Difusor de Disco de Burbuja Gruesa CAP AFC 75
Diametro externo 3.5"
Flujo del diseño (Nm3/h) 3-6
Rango del Flujo (Nm3/h) 0-10
Número de Perforaciones 10
Diametro de Perforaciones 5 mm
Temperatura Máxima del Aire SOTE
100 °C 0 – 1% x m
1.2.6.3. Difusores Tubulares de Burbuja Fina
Los difusores tubulares de burbuja fina son recomendados para ejecutar sistemas de aireación removibles y en situación que se necesite una gran superficie de expansión con una cantidad limitada de tubos para la propagación del aire. Los difusores tubulares de burbuja fina tienen un diseño que contiene un cabezal de conexión rosca, un sustentáculo de polietileno y una membrana de elastómero microperforado en forma tubular sujetada por abrazaderas de acero inoxidable.
Tabla 9: Característica de los Difusores Tubulares de Burbuja Fina
Fuente: (Zenit, 2010)
Figura 6: Difusor Tubular de Burbuja Fina
1.2.6.4. Difusores Tubulares de Burbuja Gruesa
Los difusores tubulares de burbuja fina son recomendados para el pre tratamiento de aguas residuales específicamente en el proceso de desarenador con inyección de aire. La insuflación de aire lo realiza el difusor en forma de burbujas gruesas y estas se mezclan con el flujo de las aguas residuales y se genera un desplazamiento en forma espiral, este proceso beneficia a la decantación de las arenas y flote de los aceite y grasas. Este difusor
OXYTUBE 2-500
OXYTUBE 2-750
OXYTUBE 2-750
Diametro externo 2" (63 m-m) 2" (63 mm) 2" (63 mm)
Longitud de las Perforaciones (mm) 500 750 1000
Caudal min. operativo (Nm3/h) 1 2 3
Caudal máx. operativo (Nm3/h) 6 9 12
Caudal limite 10 15 20
Superficie activa (m2) 0.09 0.135 0.18
Espesor de la membrana (mm) 1.7±0.2 1.7±0.2 1.7±0.2
cuenta con un diseño de acero inoxidable de tipo AISI 316, debido al tipo de aguas residuales que se trata con este tipo de difusores.
Tabla 10:Caracteristicas de los Difusores Tubulares de Burbuja Gruesa
Fuente: (Zenit, 2010)
Figura 7: Difusores Tubulares de Burbuja Gruesa
1.2.7. Concentración de Oxígeno Disuelto
La concentración de oxígeno disuelto en el agua es definida por la cantidad de oxígeno que con la que cuenta un fluido a una temperatura dada, también denominada porcentaje de saturación o concentración actual, sus unidades se encuentran en miligramos por litro (mg/l). La concentración total de oxígeno disuelto es dependiente de la temperatura, esto se refiere a que si el agua se encuentra a una temperatura elevada suele disolver menor cantidad de oxígeno, en la tabla 11 se muestra la dependencia de la concentración de oxígeno disuelto respecto a la temperatura en el que se encuentra el agua.(Muñoz et al., 2015)
L305 L610
Tamaño de la burbuja Gruesa Gruesa
Material del cuerpo AISI 316 AISI 316
Diametro de los agujeros superiores (mm) 2 2
Diametro de los agujeros inferiores (mm) 6 10
Longitud total (mm) 305 610
Conexion rosca 3/4 " 3/4"
Tabla 11: Dependencia de la Concentración de Oxígeno Disuelto Respecto a la Temperatura del Agua
Fuente: (Bain & Stevenson 1999)
La concentración de oxígeno disuelto en agua, está definido por la ley de Henrry, en esta ley se especifica la relación entre la presión parcial de oxígeno atmosférico con la concentración de oxígeno en agua. Según la ley de Henry, cuando una temperatura se encuentra en equilibrio, la concentración de equilibrio de gas en una solución, es directamente proporcional a la presión parcial del gas en contacto con el agua.
𝑐𝑔𝑎𝑠= 𝐻 × 𝑝𝑔𝑎𝑠 (1)
Donde:
𝑐𝑔𝑎𝑠: Concentracion de equilibrio del gas en solucion (mg/l) 𝑝𝑔𝑎𝑠: Presion parcial del gas (atm)
𝐻𝑝𝑔𝑎𝑠: Coeficiente de solubilidad
Temperatura
°C
OD (mg/L)
0 14.16
1 13.77
2 13.40
3 13.05
4 12.70
5 12.37
6 12.06
7 11.76
8 11.47
9 11.19
10 10.92
11 10.67
12 10.43
13 10.20
14 9.98
15 9.76
16 9.56
17 9.37
Temperatura
°C
OD (mg/L)
18 9.18
19 9.01
20 8.84
21 8.68
22 8.53
23 8.38
24 8.25
25 8.11
26 7.99
27 7.86
28 7.75
29 7.64
30 7.53
31 7.42
32 7.32
33 7.22
34 7.13
35 7.04
La ley de Henry aplica por lo general en los gases de gran trascendencia de las aguas residuales, en la tabla 12, se muestra las constantes de Henry para estos gases.
Tabla 12: Constantes de Henry
Con respecto, a los gases menos solubles, la disolución se acerca a ideal cumpliéndose así con la ley de Henry, en cambio, cuando la presión se encuentra elevada se genera una desviación con relación a Henry, esto se debe a que la disolución ya no procede como disolución ideal, cuando la disolución ya no es diluida ideal el comportamiento lineal se desvía, este fenómeno se observamos en la figura 9.
Gas H
(mol/L atm)
O2 1.28 x 10-3
CO2 3.38 x 10-2
H2 7.90 x 10-4
CH4 1.34 x 10-3
N2 6.48 x 10-4
NO 2.00 x 10-4
Figura 7: Ley de Henry
Figura 8: Desviación a la Ley de Henry
1.2.8. Transferencia de Oxigeno por Aireación
Según (Esteban Durán, 2006) la transferencia de oxígeno por aireación es un fenómeno por donde se trasmite oxigeno de una fase gaseosa a una fase liquida . La transferencia de oxígeno por aireación, actúa fundamentalmente en los procesos de tratamiento secundario de las aguas residuales, para ello se necesita una lata demanda de oxígeno disuelto, la eficiencia del proceso depende de la alta demanda de oxígeno existente en el agua. Existen varios factores que intervienen en la transferencia de oxígeno con respecto al tratamiento secundario de las aguas residuales, entre ellos encontramos a los contaminantes existentes en el agua a tratar, concentración de oxígeno disuelto, tipo de aireador, turbulencia, temperatura, tipo de tanque. En la actualidad se conoce varias teorías para interpretar el mecanismo de la transferencia de oxígeno por aireación, una de las más conocidas es teoría de la doble película de Lewis y Whitman.
1.2.8.1. Teoría de la Doble Película
En la teoría de la doble película existen dos capas delgadas en la interfase, estas dos capas son denominadas película fina de gas y película fina de líquido, la teoría fue propuesta por Lewis y Whitman.(Casey, 2006)
Figura 9: Esquema de la Teoría de la Doble Película Fuente: (Metcalf and Eddy, 1995)
En la película liquida, en la zona del interfaz el agua se satura velozmente de oxígeno, logrando así una concentración de saturación. En la película liquida, el oxígeno se desplaza por propagación molecular hacia la masa de agua. Dado a ello, la velocidad de transferencia de oxígeno en la película liquida se expresa de la siguiente manera:
𝑑𝑚
𝑑𝑡 = −𝐷 × 𝐴 ×𝑑𝐶
𝑑𝑥 (2) Donde:
𝑑𝑚
𝑑𝑡: Velocidad de transferencia de oxígeno en la película liquida (mg).
𝑚: Masa de oxigeno disuelto en el liquido.
𝐶: Concentracion de oxigeno disuelto en la pelicula liquida (mg/L).
𝐷: Coeficiente de difusion del oxigeno en la pelicula liquida (m2/h).
𝐴: Área de transferencia (m2).
𝑥: Distancia de la interfase liquido gas hacia el fondo del líquido.
𝑡: Tiempo.
En la película gas, hay una gradiente de concentración de oxígeno que ayuda al movimiento del gas, en la película de gas la transferencia de oxígeno es lenta, esto se debe, al descenso de la solubilidad, por lo que, la gradiente de presión en la película gas es desestimable. Dentro de la película gas la gradiente de concentración de oxígeno posee una conducta lineal y desempeña la siguiente relación:
𝑑𝑚
𝑑𝑡 = 𝐶𝐿−𝐶𝑠
𝑒𝑔 (3)
Donde:
𝐶𝐿: Concentracion de oxigeno disuelto en la masa total de agua (mg/L).
𝐶𝑠: Concentración de saturación de oxígeno disuelto en el líquido (mg/L).
𝑒𝑔: Espesor de la pelicula gas.
Enlazando las ecuaciones (2) y (3), podemos hallar la velocidad de transferencia de oxígeno, se define como equilibrio continuo, cuando las propiedades que identifican al liquido se encuentran en equilibrio con el tiempo.
𝑑𝑚
𝑑𝑡 = −𝐷 × 𝐴 × 𝐶𝐿−𝐶𝑠
𝑒𝑔 (4) 𝑁 =𝑑𝑚
𝑑𝑡 = −𝐾𝐿× 𝐴 × (𝐶𝐿− 𝐶𝑆) (5)
Donde:
𝑁: Masa de oxigeno transferido (g/h). <
