Universidad Nacional del Centro del Perú

Universidad Nacional del Centro del Perú

Facultad de Ingeniería Química

Influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global

de transferencia de oxígeno

Celestino Flores, Karem Sussi Tito Avila, Lida

Huancayo 2020

Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Repositorio Institucional - UNCP

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

TESIS

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA SINTÉTICA EN EL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO

PRESENTADO POR LAS BACHILLERES:

 Celestino Flores, Karem Sussi

 Tito Avila, Lida

Para optar el título profesional de Ingeniera Químico Ambiental

HUANCAYO – PERÚ

2020

_____________________________________________________

ASESOR:

Dr. ELIAS ADRIAN SANABRIA PEREZ

DEDICATORIA

La presente investigación va dedicado a mis hermanos Miriam, Joel y Jhonatan y a mis padres Dionicia e Isidoro quienes me apoyaron y motivaron para cumplir mis metas personales y profesionales.

TITO AVILA, Lida

DEDICATORIA

Esta investigación está dedicado a mis padres Walter y Sonia y a mi hermano Carlos Hugo, quienes son mi mayor motivación para mi superación constante en todo aspecto.

CELESTINO FLORES, Karem Sussi

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AGRADECIMIENTO

Agradecemos a Dios por darnos la oportunidad de estar en este mundo y por mantener en nosotras el espíritu de superación constante.

Agradecemos a nuestros padres que siempre están motivándonos a cumplir nuestros objetivos, gracias familia por estar en todo momento brindándonos su apoyo incondicional.

Al Doctor Elías Adrián Sanabria Pérez por su asesoría y apoyo que fue fundamental en la elaboración de la presente tesis, agradecemos a los ingenieros y administrativos de la Facultad de Ingeniería Química quienes contribuyeron en nuestra formación profesional asimismo a nuestros compañeros amigos que nos acompañaron en nuestra vida universitaria.

5 Resumen

En la presente investigación se evaluó la influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa), a condiciones ambientales de la ciudad de Huancayo (3259msnm-520mmHg). Para ello, se realizaron pruebas experimentales de oxigenación de muestras de agua residual sintética realizando el suministro de aire por medio de burbujeadores. Las concentraciones de demanda química de oxigeno (DQO) de las muestras ensayadas fueron de 450 mg-O2/L, 591.8 mg-O2/L y 750 mg-O2/L. El caudal de aire suministrado por medio del burbujeador se mantuvo constante en todos los casos. Los KLa, se calcularon con regresiones de las concentraciones de oxígeno disuelto en el tiempo, adaptados de acuerdo a la ecuación linealizada de la teoría de la doble película para la transferencia de oxígeno de fase gas a fase liquida. Los resultados que se determinaron de los KLa son 0.0859 min^-1, 0.0723 min^-1 y 0.0673 min^-1 respectivamente para 450 mg-O2/L, 591.8 mg-O2/L y 750 mg-O2/L de DQO y para una temperatura promedio del agua fue (17±1°C). Finalmente, se concluye que el efecto de la influencia del DQO del agua residual doméstica sintética, sobre el coeficiente global de transferencia de oxígeno es significativo.

6 Introducción

En la actualidad los subproductos de las actividades cotidianas del hombre y los procesos industriales están causando diversos problemas ambientales, afectando la salud pública y el medio ambiente, uno de estos subproductos son las aguas residuales domésticas. Los contaminantes del agua residual doméstica se pueden degradar con microorganismos aerobios o anaerobios. Uno de los procesos de depuración de aguas que usa microrganismos aerobios, implica que al cuerpo de agua residual se le suministre oxígeno y una vez disuelto este gas, satisfaga la demanda de oxígeno que requieren los microorganismos para degradar la carga de materia orgánica.

La oxigenación del agua residual doméstica comúnmente se realiza inyectando aire atmosférico empleando difusores, por lo que se le denomina aeración. Esta operación es afectada por muchos parámetros como la forma y el tipo de aerador, las condiciones de presión atmosférica (Huancayo), salinidad, temperatura, las características físicas y químicas del agua residual (concentración de materia orgánica). Un indicador que permite medir la capacidad de oxigenación de un mecanismo en particular para transferir el gas a las aguas residuales, es el coeficiente global de transferencia de oxígeno (kLa) el cual se calculó empleando el modelo matemático de la doble película de Lewis y Whitman. Entre los factores que afectan al cálculo de este coeficiente es la característica del agua residual a tratar, por lo que en esta investigación nos basaremos en la influencia de la concentración de materia orgánica (indicador: DQO), debido a su presencia en gran porcentaje en la composición de agua residual doméstica.

A nivel laboratorio y debido a las diversas dificultades que se presentan al emplear como muestra agua residual doméstica real, se trabajó con muestras de agua residual doméstica sintética.

7 Objetivos

Objetivo General

 Evaluar la influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno.

Objetivos Específicos

 Determinar el perfil de evolución de la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo a diferentes concentraciones de materia orgánica del agua residual doméstica sintética.

 Calcular el coeficiente global de transferencia de oxígeno para cada concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética.

 Determinar la significancia de la influencia de la concentración de materia orgánica del agua residual doméstica sintética en el coeficiente global de transferencia de oxígeno.

8 Simbología

 A: Área de transferencia (m²)

 a: Área interfacial por unidad de volumen del líquido (1/m)

 AR: Agua Residual

 ARD: Agua Residual Doméstica

 ARS: Agua Residual Sintética

 COT: Carbono Orgánico Total

 COHNS: Elementos que componen la materia orgánica

 CA: Concentración del gas disuelto en el líquido (Ley de Henry)

 CO2: Dióxido de Carbono

 COVs: Compuestos Orgánicos Volátiles

 𝐶 𝐻 𝑂 𝑁: Composición media de microrganismos

 CoCl2: Cloruro de cobalto

 CS: Concentración de saturación de oxígeno (mg/L)

 C: Es el promedio de la concentración de oxígeno disuelto en el líquido en cualquier instante de tiempo (mg/L)

 DBO: Demanda Bioquímica de Oxigeno

 DBOC: Demanda Bioquímica Carbonosa de Oxigeno

 DQO: Demanda Química de Oxigeno (mg-O2/L)

 dC/dt: Tasa de difusión del gas (mg/L.hr)

 DTeO: Demanda Teórica de Oxigeno

 D: Coeficiente de difusión del oxígeno en la película liquida (m²/h)

 HPO4-2: fosfato acido

 H2PO4-2: fosfato di ácido

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 H3PO4: ácido fosfórico

 H2S: Sulfuro de hidrogeno

 KL: Coeficiente de la película líquida (1/hr)

 KH: Constante de Henry

 KL: Es el coeficiente de transferencia de masa (1/hr)

 KLa: Coeficiente Global de Transferencia de Oxígeno (1/t)

 LOPU: Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios

 LMPs: Límites Máximos Permisibles

 MO: Materia Orgánica

 M: masa de oxígeno disuelto en el líquido en un instante de tiempo

 Na2SO3: Sulfito de sodio

 OEFA: Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental

 𝑂 : Oxigeno

 OD: Oxígeno Disuelto

 pH: Potencial de Hidrogeno

 PO4-3: Ion fosfato

 PA: Presión parcial del gas sobre el líquido

 t: tiempo

 V: Volumen del líquido (m³)

 Xf: Espesor de la película líquida (m)

 δg: Película gaseosa

 δL: Película Líquida

 α: Es el nivel de significacia

 100(1- α): Intervalo de confianza

10 Contenido

DEDICATORIA ... 3

AGRADECIMIENTO ... 4

Resumen ... 5

Introducción ... 6

Objetivos ... 7

Objetivo General ... 7

Objetivos Específicos ... 7

Simbología ... 8

Contenido ... 10

Índice De Tablas ... 13

Índice De Figuras ... 14

Índice De Gráficos ... 15

Índice De Fotografías ... 16

Capítulo I ... 17

Revisión Bibliográfica ... 17

1.1 Antecedentes ... 17

1.2 Base Teórica ... 23

1.2.1 Agua residual ... 23

1.2.2 Aguas residuales domésticas ... 26

11

1.2.3 Medida del contenido de compuestos orgánicos en el agua residual ... 32

1.2.4 Aeración de aguas residuales ... 35

1.2.5 Oxígeno disuelto ... 38

1.2.6 Transferencia de oxígeno al agua ... 44

1.3 Marco Conceptual ... 54

1.3.1 Demanda Química de Oxígeno (DQO).- ... 54

1.3.2 Oxígeno disuelto(OD).- ... 55

1.3.3 Coeficiente de Difusión (D).- ... 55

1.3.4 Coeficiente global de transferencia de oxigeno (kLa).- ... 55

Capítulo II ... 56

Metodología ... 56

2.1 Equipos, Materiales Y Reactivos ... 57

2.1.1 Agua residual doméstica sintética ... 58

2.1.2 Descripción de la unidad experimental. ... 58

2.2 Población y muestra ... 62

2.3 Procedimientos ... 62

2.3.1 Procedimiento para obtener datos experimentales ... 62

2.4 Técnicas de procesamiento de datos ... 63

Capítulo III ... 64

Tratamiento de datos y discusión de resultados ... 64

12

3.1 Resultados experimentales de oxigenación. ... 64

3.1. Resultados de coeficiente global de transferencia de oxígeno ... 68

3.2. Proceso De La Prueba De Hipótesis ... 71

3.3. Discusión De Resultados ... 72

Conclusiones ... 75

Recomendaciones ... 76

Bibliografía ... 77

Anexos ... 79

13 Índice De Tablas

Tabla 1: Valores típicos de los consumos ... 25

Tabla 2: Compuestos Orgánicos presentes en agua residuales domésticas en valores porcentuales ... 27

Tabla 3: Características fisicoquímicas del agua residual doméstica cruda ... 28

Tabla 4: Composición de Agua Residual Doméstica Sintética ... 32

Tabla 5:Descripción de los dispositivos comúnmente utilizados para la oxigenación de aguas residuales 36 Tabla 6: Descripción de los dispositivos de aeración con difusores comúnmente utilizados .. 37

Tabla 7. Concentración de OD en el agua en función de la temperatura y la presión atmosférica ... 39

Tabla 8. Valores de saturación de OD para agua destilada a (1atm) ... 40

Tabla 9. Concentración de OD en el agua en función de T y la salinidad a 1 atm ... 41

Tabla 10. Organización de datos obtenidos de OD. ... 53

Tabla 11. Diseño experimental ... 57

Tabla 12. Cantidad de reactivos para la preparación de ARS ... 58

Tabla 13. Resultados de kLa a cada DQO de ARS ... 70

Tabla 14. Resultados de kLa empleados en la prueba de hipótesis ... 72

Tabla 15. Análisis de varianza ... 72

14 Índice De Figuras

Figura 1. Etapas de tratamiento de agua residual ... 29

Figura 2. Representación básica de un sistema de medición de oxígeno disuelto luminiscente. ... 44

Figura 3. Esquema de la Teoría de la Doble Película ... 46

Figura 4. Diagrama de transferencia de oxígeno a través de la película del líquido. ... 49

Figura 5. Modelo experimental del sistema de aeración por burbujeo ... 59

Figura 6. Esquema del burbujeador y boquillas ... 61

Figura 7. Recipiente de acrílico ... 61

15

Índice De Gráficos

Grafico 1. Determinación de kLa ... 54 Grafico 2. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua potable ... 64 Grafico 3. Evolucion de la concentracion de oxigeno disuelto en agua residual sintetica con 450 ppm de DQO .. 65 Grafico 4. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua residual sintética con 591.8 ppm de DQO 65 Grafico 5. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto en agua residual sintética con 700 ppm de DQO .. 66 Grafico 6. Evolución de la concentración de oxígeno disuelto promedio en agua residual sintética . 67 Grafico 7. Evolución de la temperatura del líquido durante las pruebas de aireacion ... 67 Grafico 8. Evolución de la presión del aire que ingresa al burbujeador ... 68 Grafico 9. Regresión lineal de los datos experimentales de acuerdo a la ecuacion de Lewis y Whitman. 69 Grafico 10. Velocidad de trasferencia de oxigeno calculados con datos experimentales ... 71

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Índice De Fotografías

Fotografìa 1. Pesado de reactivos ... 79

Fotografìa 2. Preparación del agua residual sintética ... 79

Fotografìa 3. Oxigenación del agua residual ... 80

Fotografìa 4. Monitoreo del proceso de oxigenación ... 80

Fotografìa 5. Visualización de variables (P, OD, T) ... 81

Fotografìa 6. Registrador de variables marca Field Logger ... 81

Fotografìa 7. Medidor de presión (0-40 mbar) ... 82

Fotografìa 8. Recipiente sensor de OD, acrílico y toberas ... 82

Fotografìa 9. Regulador de presión (32,38 mbar) ... 83

Fotografìa 10. Rotámetro ... 83

Fotografìa 11. Compresor ... 84

Fotografìa 12. Tobera y boquillas ... 84

Fotografìa 13. Muestra de ARDS enviada para analisis de DQO ... 85

Fotografìa 14.Vial para analisis de DQO (K2CrO3,H2SO4,HgSO4) ... 85

17 Capítulo I Revisión Bibliográfica 1.1 Antecedentes

Durán Herrera y Rojas (2006) en su artículo titulado “Modelación de la transferencia de oxígeno en sistemas de aeración mediante un modelo de dos zonas simplificado” cuyo objetivo fue proponer un modelo simplificado de transferencia de masa de oxígeno de dos zonas con una solución analítica. Para la determinación de este modelo se realizaron pruebas experimentales analizando la capacidad de oxigenación en agua limpia a distintos flujos de aire (30 L/min, 40 L/min, 60 L/min y 80 L/min) y temperatura (20°C, 25°C y 30°C), Los materiales empleados en la realización de las corridas experimentales son: un tanque de una capacidad aproximada de 1000L, la oxigenación se realizó mediante el uso de un difusor de domo cerámico de 18cm de diámetro la cual se ubicó al interior del tanque, para el registro de las concentraciones de Oxígeno disuelto(mg/L) se empleó HACH LDO^TM cuyo principio de medición es la luminiscencia, el control de la temperatura se realiza mediante el uso del intercambiador de calor. El procedimiento experimental seguido será la propuesta por la ASCE, la cual consiste en desoxigenar el agua empleando el sulfito de sodio (Na2SO4) y cloruro de cobalto (CoCl2) como catalizador, seguido de la aeración registrando datos de concentración de oxígeno disuelto hasta alcanzar la concentración de saturación. Los modelos empleados para el análisis de datos obtenidos producto de las corridas experimentales fueron las propuestas por la ASCE y la propuesta por este artículo modelo de dos zonas simplificado, con dichos modelos se realiza el cálculo del coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa), este factor nos indica la capacidad de oxigenación del agua limpia a diferentes condiciones de flujo y temperatura. Para obtener resultados representativos se realizaron 12 corridas experimentales manteniendo constante la temperatura para diferentes flujos de aire a

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continuación se señala los resultados para cada condiciones de flujo y temperatura: (20,1°C, 30L/min):3.4h^-1; (20,1°C, 40L/min):4.33h^-1; (20,1°C, 60L/min):5.42h^-1; (20,1°C, 80L/min):7.28h^-

1;(25.5°C, 30L/min):3.83h^-1; (20,1°C, 40L/min):4.78h^-1; (25.5°C, 60L/min):6.57h^-1; (25.5°C, 80L/min):8.46h^-1;(30.1°C, 30L/min):4.23h^-1; (30,1°C, 40L/min):5.12h^-1; (30,1°C, 60L/min):6.88h^-

1; (30,1°C, 80L/min):9.03h^-1.De los resultados obtenidos se observa que se tiene una mayor capacidad de oxigenación (KLa) a medida que se incrementa el caudal si se mantiene constante la temperatura , realizando una comparación de los resultados obtenidos producto de los análisis y el cálculo de KLa mediante los modelos propuesto por la ASCE y la propuesta en este artículo modelo de dos zonas simplificado se concluye que el modelo propuesto por el autor describe matemáticamente el proceso de aeración dando una mejor comprensión física).

Durán Herrera y Rojas Meza (2006) el objetivo de su artículo denominado “Efecto de contaminantes sobre la transferencia de oxígeno en sistemas de aeración analizado mediante un modelo de dos zonas simplificado” fue la de determinar la influencia de la concentración de diversas sustancias contaminantes del agua en la capacidad de transferencia de oxígeno; las sustancias contaminantes empleadas fueron (detergente, aceite y solidos suspendidos) debido a que la existencia de estas sustancias caracteriza a las aguas residuales tanto domésticas como industriales. El tanque empleado fue de forma cilíndrica de una capacidad de 1000L, para el proceso de oxigenación se empleó un único difusor tipo domo de poro fino de 18cm de diámetro ubicado a 11 cm del fondo del tanque y a 10.8 cm respecto al nivel del líquido; el flujo estándar de aire fue constante (60L/min) y la temperatura (25.5°C) ; se varió la concentración de las sustancias contaminantes para el caso del aceite (de soya marca CLOVER BRAND ) y detergente (en polvo marca IREX) se trabajó a concentraciones (2,4,6, y 8 ppm) , para el caso de solidos suspendidos

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(tierras diatomeas marca CELITE) se trabajó a concentraciones (250,500,1000 y 1500 ppm); se realizaron varias corridas experimentales combinando las 3 sustancias contaminantes, se realizó 16 corridas experimentales ,para ver el comportamiento independiente de cada contaminante y el comportamiento de la mezcla de contaminantes; para la medición de la concentración de oxígeno disuelto (OD) se empleó HACH LDO^TMQ-10 cuyo principio de medición es la luminiscencia, para controlar la temperatura del agua se empleó un intercambiador de calor. El procedimiento experimental se realizó en función de la norma ASCE (American Society of Civil Engineers) la cual consiste en la desoxigenación del agua mediante la adición de sulfito de sodio (Na2SO3) el cual reacciona con el oxígeno formando sulfato de sodio (Na2SO4) en presencia de Cobalto (Co⁺²), a continuación, se realiza la aireación del agua hasta llegar a la concentración de saturación. Los modelos matemático empleados para el análisis de los datos de re aeración y los coeficientes volumétricos de transferencia de masa fueron lo planteado por la norma planteada por la ASCE (American Society of Civil Engineers).Los resultados obtenidos respecto a las diferentes concentraciones de aceite son: 4.86 h^-1, 4.49 h^-1, 3.86 h^-1, 3.46 h^-1; respecto a las diferentes concentraciones de detergente son: 5.45 h^-1, 6.01 h^-1, 6.03 h^-1, 6.04 h^-1; respecto a las diferentes concentraciones de solidos suspendidos son: 5.83 h^-1, 5.89 h^-1, 5.98 h^-1, 6.26 h^-1 ;los resultados correspondientes a la mezcla de contaminantes son: 3.60 h^-1, 2.47 h^-1, 2.44 h^-1, 2.38 h^-1. De las cuales se concluye que modelo de dos zonas simplificado planteado por (Durán Herrera & Rojas, 2006). Los resultados producto de esta investigación nos indican que la capacidad de transferencia de oxígeno disminuye a medida que la concentración de aceite aumenta, respecto al detergente y solidos suspendidos a medida que la concentración de estos aumenta, la capacidad de transferencia de oxígeno aumenta y respecto al comportamiento de la mezcla de contaminantes se tiene que a mayor concentración de contaminantes disminuye la capacidad de oxigenación.

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Jianhui y Jianlei (2011) en su artículo "Study on the effect of sewage COD on total oxygen transfer coefficient" se plantearon el objetivo de evaluar el efecto de la Demanda Química de Oxigeno (DQO) en el coeficiente total de transferencia de oxígeno kLa y en los factores de corrección α y β, las muestras fueron tomadas de una Planta de tratamiento de aguas residuales municipales ubicada en la ciudad de Zhengzhou Wulongkou- China. En el proceso se midió la concentración de OD hasta llegar a la concentración de saturación de oxígeno disuelto (Cs) de las distintas muestras de agua limpia y de agua residual a distintas DQO, los parámetros fueron medidos cuando el agua estaba a una temperatura de (23.5 ± 1) ºC, a un flujo de aireación de 1.0 m³/h y a concentraciones de DQO del agua afluente de entre 200-550 mg / L. Los resultados y conclusiones obtenidas son las siguientes: los valores de kLa disminuyeron con el aumento de DQO de las aguas residuales, la tasa de variación promedio fue -0.018%. El valor β no cambia mucho con el aumento de DQO de aguas residuales teniendo un valor promedio de 0.89 mientras que el valor α disminuye con el aumento de DQO de aguas residuales que tiene un valor promedio de 0.48.

Gonza (2017) en su tesis "Análisis de la transferencia de masa de oxígeno para sistema de tratamiento de aguas residuales a 3820 msnm" tuvo el objetivo de desarrollar un análisis profundo y detallado de la Transferencia de Masa De Oxígeno para posteriormente aplicarlo al diseño de Sistemas de Tratamiento de Aguas residuales urbanas en lugares que se ubican a la misma altitud geográfica que la ciudad de Puno (3820 msnm). En su totalidad se realizaron 28 pruebas experimentales, haciendo uso de un tanque con capacidad de 20 L, para la aeración se empleó un difusor de poro fino, una compresora MX225, un manómetro para la medición de la presión, un

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termómetro, un flujómetro y para la medición de Oxígeno Disuelto se empleó un medidor digital (marca TRACER DO PockeTester 1761), respecto a la muestra se utilizó tanto con agua potable como con agua residual sintética preparada con aceites(2,4,6 y 8 mg/L), detergentes (2,4,6,8 mg/L) y sólidos suspendidos (250,500,1000 y 1500 mg/L) los cuales se usaron individualmente y en conjunto.

Para el cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno kLa se aplicó el modelo American Society of Civil Engineers (ASCE) y el modelo de dos Zonas simplificado (Durán Herrera & Rojas, 2006). En el proceso se variaron 3 parámetros: temperatura, flujo de aire y concentración de contaminantes. Respecto al agua potable se trabajaron 12 corridas experimentales con variaciones en la temperatura (5,2 ºC, 10,4 ºC y 15ºC) y en el flujo de aire (1, 2 ,3 y 4 L/min), los valores de kLa obtenidos estuvieron entre 0,0569 /min y 0,1521/min. Se realizaron 16 pruebas experimentales con agua residual a una temperatura de 10,4 ºC y a un flujo de 3 L/min con la presencia de aceite (kLa con valores de 4,500 /min; 4,140 /min; 3,840 /min y 3,240 /min), detergente (kLa con valores de 5,040 /min; 5,520 /min; 6,000 /min y 6,060 /min), solidos suspendidos (kLa con valores de 6,240 /min; 6,060 /min; 6,000 /min y 5,940 /min) y los tres contaminantes en conjunto (kLa con valores de 3,660 /min; 2,700 /min; 2,460 /min y 2,220 /min). Se concluyó que a medida que se incrementa el flujo de aire el kLa tiende a aumentar y los contaminantes influyen en la variación del coeficiente global de transferencia de oxígeno siendo el aceite el contaminante que disminuyó significativamente el kLa, seguido por los tres contaminantes juntos y los sólidos disueltos, a excepción de los detergentes, ya que a medida que se incrementa la concentración de éstos el kLa aumenta.

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Mallqui (2019) en su tesis "Evaluación de la velocidad de transferencia de oxígeno, en un sistema de aireación de agua" tuvo el objetivo de estudiar la influencia del flujo de aire suministrada a los burburjeadores en la velocidad de transferencia de oxígeno a condiciones normales de Huancayo. Se realizaron en total 9 corridas experimentales, 3 repeticiones por cada variación de flujo de aire, la aeración por burbujeo se realizó con una tobera compuesta por 12 difusores en un recipiente de acrílico con una capacidad de 3 L, para las mediciones de flujo, temperatura, presión y oxígeno disuelto se usó un rotámetro, dos PT100, un regulador de presión y un medidor de OD por fluorescencia respectivamente, cuyos datos fueron almacenados en un FIELD LOGGER. La muestra estuvo compuesta en su totalidad por 27 litros de agua potable. El coeficiente global de transferencia de oxígeno kLa se calculó empleando el modelo matemático de la doble película (Lewis y Whitman), valor que posteriormente sirvió para el cálculo de la velocidad de transferencia de oxígeno. La temperatura promedio a la que se trabajó fue de 18 ºC y la presión ambiental de 520 mmHg. Los resultados de kLa promedio obtenidos para cada caudal de aire (60, 97 y 140 unidades) fueron 0,929 /min; 0,1232 /min y 0,1470 /min respectivamente, por tanto, a mientras el caudal de aire sea mayor, la velocidad de transferencia de oxígeno será mayor hasta homogenizarse al llegar a la concentración de saturación Cs. Finalmente se realizó un análisis de significancia obteniendo como resultado un nivel de significación de 5% y un intervalo de confianza de 95% por lo que se concluyó de que la variación del flujo o caudal de aire influye significativamente en la variación de la velocidad de transferencia de oxigenación.

23 1.2 Base Teórica

1.2.1 Agua residual

El agua uno de los fluidos de primordial importancia para la existencia de vida en la tierra, los seres humanos estamos en la obligación de velar por su conservación y usar la cantidad necesaria, sin embargo, con el avance de la ciencia y tecnología, se ha convertido en un recurso de uso común, tanto en la vida cotidiana como en los procesos de operación de los distintos sectores industriales, causando su polución, motivo por el cual en la actualidad se conoce el término de “aguas residuales”.

Romero (2005) las define como “las aguas usadas y los sólidos que por uno u otro medio se introducen en las cloacas y son transportados mediante el sistema de alcantarillado” (p. 17).

Por su parte la OEFA (2014) nos da una definición más completa:

Refiriéndose a las aguas residuales como aquellas aguas cuyas características originales han sido modificadas por actividades humanas y que por su calidad requieren un tratamiento previo, antes de ser reusadas, vertidas a un cuerpo natural de agua o descargadas al sistema de alcantarillado. (p. 12)

Como lo indica la OEFA el agua residual debe ser tratada, de acuerdo a la normativa peruana y previos a su vertimiento o descarga no debe exceder los LMPs, para evitar los efectos negativos en la sociedad y en el medio ambiente.

Cabe resaltar que el agua residual debido al cambio de características está compuesta por un amplio y complejo conjunto de contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos, por lo que no es posible obtener un análisis detallado y completo de las mismas (Ramalho, 1990).

24 1.2.1.1 Clasificación de aguas residuales

De acuerdo a la procedencia las aguas residuales pueden comprender una amplia clasificación, pero entre las principales tenemos:

- Aguas residuales domésticas o sanitaria

Se considera a ARD a toda aquella “procedente de zonas residenciales o instalaciones comerciales, públicas y similares” (Metcalf & Eddy, 1985, p.18), por lo que está conformada por materia fecal y demás desechos provenientes de las actividades cotidianas como aguas de inodoro, de lavado o aseo personal.

- Aguas residuales municipales La OEFA (2014) considera:

Que las aguas residuales municipales son aquellas aguas residuales domésticas que pueden estar mezcladas con aguas de drenaje pluvial o con aguas residuales de origen industrial previamente tratadas, para ser admitidas en los sistemas de alcantarillado de tipo combinado. (p. 15)

Aguas que posteriormente serán tratadas en una planta de tratamiento, debemos recordar que por agua pluvial no solo nos referimos a aquella proveniente de lluvias, si no que se debe adicionar a todas aquellas que componen la escorrentía superficial urbana.

- Aguas residuales industriales

Romero (2005) llama aguas residuales industriales a “aquellas provenientes de las descargas de industrias de manufactura” (p.17). Consideramos a los distintos procesos productivos como, minería, agrícola, agroindustrial y otros. Entre las industrias consideradas como grandes potenciales consumidoras de agua en sus procesos tenemos a las de pasta y papel, textil y químicas.

25 Tabla 1: Valores típicos de los consumos

Compuesto Orgánico Caudal (m3/ton producto) Conservera

Judías verdes 45-65

Melocotones y verduras 14-18 Otras frutas y verduras 4-32 Química

Amoniaco 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^a

Productos lácteos 9-20

Whisky 50-70

Pasta y papel

Pasta 225-720

Papel 110-140

Textil

Blanqueamiento 180-270^b

Tinte 25-50

a. peso en vivo b. Algodón

Nota. Recuperado de (Metcalf & Eddy, 1991)

- Aguas residuales por infiltraciones y aportaciones incontroladas

Por aguas residuales por infiltración se entiende a aquellas que ingresan a la red de alcantarillado a causa de ciertos defectos, grietas o pérdida de calidad de materiales de construcción por el poco o nulo mantenimiento. Respecto a las aportaciones incontroladas, se considera “aguas pluviales que se descargan a la red por medio de alcantarillas pluviales, drenes de cimentaciones, bajantes de edificios y tapas de pozos de registro” (Metcalf & Eddy, 1985, p.18).

26 1.2.2 Aguas residuales domésticas

También denominada sanitaria, está compuesta por sustancias orgánicas e inorgánicas, teniendo una mayor predominancia la concentración de compuestos orgánicos, se aproxima que el 70% y 30% de la materia solida presente corresponde a la materia orgánica e inorgánica respetivamente, la fracción orgánica está representada por la presencia de proteínas (albuminas, globulinas y enzimas), carbohidratos (glucosa, sacarosa, almidón y celulosa, entre otros) y lípidos (grasas y aceites). (Rodríguez & Lozano Rivas, 2012)

1.2.2.1 Caracterización

La composición típica de del agua residual doméstica predominante se relaciona con los siguientes parámetros fisicoquímicos:

- Sólidos Totales

Este parámetro engloba (materia en suspensión, materia sedimentable, materia coloidal y materia disuelta) analíticamente está definida como el contenido de solidos que posee el agua después de someterlo a un proceso de evaporación entre 103-105°C, el rango de variación de la concentración de solidos totales del agua residual doméstica corresponde a 700-1350 mg/L (correspondiente a solidos suspendidos y disueltos).

- Materia Orgánica

Este parámetro se genera producto de las actividades humanas (síntesis de compuestos orgánicos), la materia orgánica representa el 70% de la materia sólida existente en el agua residual doméstica, en su composición se tiene al carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno en algunos casos, estos elementos se encuentran en las proteínas, carbohidratos y lípidos (Rodríguez &

Lozano, 2012).

27 Tabla 2:

Compuestos Orgánicos presentes en agua residuales domésticas en valores porcentuales Compuesto

Orgánico

Scotti (1968)

Tebbutt (1977)

Metcalf y Eddy (1995)

Proteínas 40 65 40-60

Carbohidratos 50 25 25-50

Lípidos 10 10 10

Nota. Recuperado de: (Rodríguez Sánchez & Lozano Rivas, 2012)

Los parámetros empleados para medir el contenido de materia orgánica, son la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda bioquímica carbonosa de oxígeno(DBOC), demanda química de oxígeno(DQO), carbono orgánico total (COT) y demanda teórica de oxígeno (DTeO).

- Nitrógeno Total

El nitrógeno es esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas y protistas, necesario para la síntesis de proteínas, razón por la cual su existencia en el agua residual determina que el tratamiento mediante procesos biológicos sea posible, este parámetro depende de la concentración de compuestos como el nitrógeno orgánico, amoniaco, nitrito y nitrato, el rango de variación de la concentración de nitrógeno total en el agua residual doméstica varía entre 35-60 mg/L.

- Fósforo

La presencia de este elemento químico favorece el crecimiento de algas y organismos bilógicos, La concentración de fósforo total en el agua residual varia en el rango de 4-15mg/L, en el agua residual el fosforo se presenta como fosfatos (PO4-3), fosfato acido (HPO4-2), fosfato di ácido (H2PO4-2) y ácido fosfórico (H3PO4).

28 - pH

Este parámetro mide la concentración de iones hidrogeno existente en el agua residual, es un indicador de la acidez o basicidad que posee el agua residual, el agua residual con el pH inadecuado dificulta su tratamiento, el rango de pH del agua doméstica 6.7-8.

- Alcalinidad

También denominada basicidad, este parámetro se define como la medida de su capacidad para neutralizar ácidos, en el agua residual la alcalinidad es debida a hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de ciertos elementos como calcio, magnesio, sodio, potasio y amoniaco, en el agua residual doméstica el rango de concentración alcalinidad se aproxima de 100-250mg/L.

En la siguiente tabla se señala la concentración típica de los parámetros explicados en los ítems anteriores. (Von Sperling, 2007).

Tabla 3:

Características fisicoquímicas del agua residual doméstica cruda Parámetro

Carga percápita (g/hab.d)

Concentración (mg/, excepto pH)

Rango Típico Rango Típico

SOLIDOS

TOTALES 120-

220 180 700-1350 1100

*Suspendidos 35-70 60 200-450 350

-Fijo 7-14 10 40-100 80

-Volátil 25-60 50 165-350 320

*Disuelto 85-150 120 500-900 700

-Fijo 50-90 70 300-550 400

-Volátil 35-60 50 200-350 300

Configurable - - 10-20 15

MATERIA ORGANICA

DBO5 40-60 50 250-400 300

COD 80-120 100 450-800 600

BDO ultimo 60-90 75 350-600 450

NITROGENO

TOTAL 6-10 8 35-60 45

Nitrógeno

orgánico 2.5-4 3.5 15-25 20

Amoniaco 3.5-6 4.5 20-35 25

29

Nitrito ‘0 =0 =0 =0

Nitrato 0.0.3 =0 0-2 =0

FOSFORO 0.7-2.5 1 4-15 7

Fósforo orgánico 0.7-1 0.3 1-6 2

Fósforo inorgánico 0.5-1.5 0.7 3-9 5

pH - - 6.7-8 7

Alcalinidad 20-40 30 100-250 200

Metales pesados =0 =0 =0 =0

Orgánicos Tóxicos =0 =0 =0 =0

Nota. Recuperado de (Von Sperling, 2007)

1.2.2.2 Tratamiento de agua residual doméstica

El tratamiento de aguas residuales involucra procesos fisicoquímicos y biológicos cuyo objetivo es la eliminación de la mayor cantidad de sustancias contaminantes, el tratamiento de agua se siguen los siguientes procesos: Pre-tratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario:

Figura 1. Etapas de tratamiento de agua residual

Fuente, (Salgado, Duran, Cruz, Carballo, & Martinez, 2012)

30 - Tratamiento secundario

Constituye una serie de procesos de naturaleza biológica donde se emplean microrganismos (las bacterias se encargan de degradar la materia orgánica biodegradable), estas bacterias necesitan condiciones aerobias.

La flora bacteriana degrada una parte de la materia orgánica mediante el proceso de oxidación con el objetivo de realizar proceso metabólico obteniendo energía para su crecimiento, otra parte de la materia orgánica participa en la reacción de síntesis en la cual una fracción de materia orgánica producto de la reacción de síntesis formara parte del nuevo tejido celular (síntesis celular), la reacción de oxidación y síntesis es una reacción en cadena, ya que la energía producida en el reacción de oxidación es empleada para la reacción de síntesis, a continuación se señala las reacciones. (Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua, 2008)

OXIDACIÓN

𝐶𝑂𝐻𝑁𝑆 + 𝑂 + 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 → 𝐶𝑂 + 𝐻 𝑂 + 𝑂𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 + 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎

SÍNTESIS

𝐶𝑂𝐻𝑁𝑆 + 𝑂 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 → 𝐶 𝐻 𝑂 𝑁

𝐶𝑂𝐻𝑁𝑆 Representa a los elementos componen en la materia orgánica existente en el agua residual.

𝐶 𝐻 𝑂 𝑁 Representa la composición media de los microorganismos que degradan la materia orgánica existente en el agua residual.

La respiración endógena se genera después que las bacterias han consumido toda la materia orgánica disponible, las nuevas células consumen su propio tejido celular con el objetivo de obtener energía para el mantenimiento celular.

31

RESPIRACIÓN ENDÓGENA

𝐶 𝐻 𝑂 𝑁 + 5𝑂 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 → 5𝑂 + 2𝐻 𝑂 + 𝑁𝐻 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎

En las plantas de tratamiento de agua residuales, en los reactores biológicos o birreactores, ocurre las tres reacciones química mencionada: reacción de oxidación, síntesis y respiración endógena, como se puede observar en las reacciones, para que los microorganismo degraden la materia orgánica es indispensable el suministro de oxígeno al agua residual, eso significa que la dosis necesaria de oxígeno en el agua garantiza el tratamiento del agua residual; una de las formas de suministrar oxígeno al agua es la aeración en el siguiente ítem , se explica este fenómeno.

1.2.2.3 Agua residual doméstica sintética

Debido a los inconvenientes que presenta la realización de estudios y experimentos en el laboratorio con muestras de agua residual, relacionados a la dificultad y el tiempo del traslado de muestras desde el lugar de origen hasta el laboratorio, asimismo la variabilidad de las propiedades del ARD-cruda ya sea fisicoquímica o bacteriológica, el problema se relaciona al riesgo al que está expuesto el personal que manipula el agua residual , debido a la presencia de agentes patógenos;

por ello diferentes autores han propuesto el uso de agua residual sintética. (Rodríguez & Lozano, 2012).

El agua residual sintética posee características similares a la del agua residual doméstica, su preparación es sencilla y con ingredientes fáciles de conseguir, pero con carga nula de agentes patógenos. En la siguiente Tabla 4 se señala la composición predominante típica del agua residual doméstica sintética. (Metcalf & Eddy, 1991)

32 Tabla 4:

Composición de Agua Residual Doméstica Sintética

Compuesto Concentración (mg/L)

Peptona 250

Sacarosa 60

Almidón 140

Lípidos (Aceite de Soya) 50

Sulfato de amonio((NH4)2SO4) 30 Fosfato de sodio tribásico

(Na3PO4.12H2O) 6

Nota: La demanda química de oxigeno DQO es de 500mg/L (Fuente: (Salgado, Duran, Cruz, Carballo, & Martinez, 2012))

1.2.3 Medida del contenido de compuestos orgánicos en el agua residual

Uno de los principales contaminantes de las aguas residuales, son los contaminantes orgánicos (compuestos nitrogenados, carbohidratos, aceites y grasas, entre otros), por lo que medir el contenido de su presencia en un AR es considerado como un indicador importante para determinar el grado de contaminación del agua residual a estudiar.

Hay que recordar que la medida de concentración de cada contaminante orgánico presente en el AR es poco práctica, por lo que se ha optado por desarrollar algunos métodos a nivel laboratorio para la medición del contenido de materia orgánica cuyo objetivo es conseguir la oxidación de la MO, ya sea de manera térmica, química o biológica.

Los métodos de medición de MO se clasifican en dos grupos, el primero se emplea para AR que contengan más de 1mg MO/L en los que se considera los ensayos de DBO, DQO, COT los cuales pueden ser complementados por la DTeO, y el segundo se emplea para AR que contengan de 0.001mg MO/L a 1 mg MO/L, en este grupo se considera los métodos de cromatografía de gases y espectrofotometría de masa (Metcalf & Eddy, 1985, p.77)

33 1.2.3.1 La demanda química de oxígeno (DQO)

En la presente investigación se priorizará y se enfatizará el parámetro de la DQO, ya que fue el indicador que se empleó para la medición de contenido orgánico.

La Demanda Química de Oxígeno (DQO) se define como la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar químicamente materia orgánica (biodegradable o no biodegradable) presente en un AR.Para lo cual se emplea un agente oxidante fuerte (dicromato de potasio) en medio ácido (ácido sulfúrico) así mismo se emplea un catalizador (sulfato de plata) para acelerar la oxidación, el ensayo se debe llevar a cabo a temperatura alta (150 °C). (Romero, 2005)

La principal reacción química que se lleva a cabo, es la siguiente:

catalizador

𝐶 𝐻 𝑂 + 𝐶𝑟 𝑂 + 𝐻 − − − −−→ 𝐶𝑟 + 𝐶𝑂 + 𝐻 𝑂 (materia orgánica) calor

Ante la posibilidad de la presencia de algunos compuestos inorgánicos que interfieran en la medición, se pueden eliminar tomando medidas previas. Un claro ejemplo de interferencia es la que representan los cloruros, ya que éstos pueden ser oxidados por el dicromato. Un agente que nos ayudará a eliminar este tipo de interferencia es el sulfato mercúrico, el cuál formará parte de la solución digestora junto con el dicromato de potasio. Este agente al reaccionar con el cloruro formará cloruro de mercurio y adicionalmente ayudará a que los cloruros no precipiten al catalizador. (Ramalho, 1990)

Previo a la lectura de DQO la muestra de AR con los reactivos adicionados se lleva a un termo reactor a 150 °C por un lapso de 2 horas.

34

1.2.3.2 Técnicas de medición de la demanda química de oxígeno (DQO)

La lectura final de DQO se puede hacer por varias metodologías, entre los más representativos tenemos:

- Titulación

Después de las dos horas de digestión, se debe enfriar el remanente de dicromato de potasio sin reducir, añadir 5 gotas del indicador (ferroína) y finalmente valorarlo con sulfato amónico ferroso [Fe(NH7).(SO4).6H2O], hasta que vire a un color rojo-marrón. (Ramalho, 1990)

Se obtiene la siguiente reacción química:

𝐶𝑟 𝑂 + 14 𝐻 + 6𝐹𝑒 ↔ 2𝐶𝑟 + 6𝐹𝑒 + 7𝐻 𝑂 Espectrofotometría

Después de la digestión, para la lectura final se emplea un espectrofotómetro donde la cantidad de cromo que reacciona, se medirá colorimétricamente a una longitud de onda de 600 nanómetros que nos permitirá obtener el de absorbancia y con la ayuda de una curva de calibración se convertirá el dato de Abs. a mg/L. Es un método sencillo y rápido a diferencia del método por titulación o valoración.

Como se observó el análisis de la DQO es un ensayo simple y beneficioso ya que el procedimiento conlleva entre dos o tres horas frente a la DBO cuyo análisis requiere de 5 días.

(Orozco, 2005)

La medición del ensayo de DQO siempre tendrá valores superiores a los de la DBO, esto se debe a que en su mayoría los compuestos que pueden ser oxidados químicamente no pueden ser oxidados biológicamente. (Metcalf & Eddy, 1991)

35

Casi siempre se espera que la DQO sea igual que la DBOúltima (20días), pero hay que tener en cuenta que hay otros factores que interferirán en las mediciones, claro ejemplo de ello son las aguas residuales industriales.

Cabe resaltar que los valores de DQO para aguas residuales domésticas es de 450 a 800, ver la Tabla 3.

1.2.4 Aeración de aguas residuales

La aireación es el proceso mediante el cual se pone en contacto el oxígeno presente en el aire con el agua residual, lo cual sirve para degradar la materia orgánica presente en el agua mediante cierto proceso biológico, poniendo en contacto íntimo al agua con el aire. Con esto se logra un aumento del contenido de oxígeno, la reducción del contenido de CO2, remoción de sustancias volátiles productoras de olores y sabores, asimismo aumenta el metabolismo de bacterias aerobias.

La selección de los equipos empleados para la aeración dependerá de del diseño del reactor, los aireadores generalmente empleados son: aeradores de turbina, aeradores superficiales y los difusores de aire, a continuación, se explica el funcionamiento de los difusores de aire, ya que en este trabajo se emplea este tipo de aerador. (Ramalho, 1990).

1.2.4.1 Sistemas de aeración

En el tratamiento de Aguas Residuales para la transferencia de oxigeno necesario para la ejecucion del proceso biologico implica emplear sistemas de aeracion , estos se clasifican en aeradores sumergidos y superficiales, en la siguiente tabla se detalla la subclasificacion de cada tipo:

36 Tabla 5:

Descripción de los dispositivos comúnmente utilizados para la oxigenación de aguas residuales

Clasificación Descripción Uso o aplicación

Sumergido:

Difusión de aire

Poroso (burbujas finas) Burbujas generadas con tubos y placas cerámicas porosos, fabricados con productos cerámicos vitrificados y resinas

Todos los tipos de procesos de fangos activos

Poroso(burbujas de tamaño medio)

Burbujas generadas con membranas elásticas o tubos de plástico perforados

Todos los tipos de procesos de fangos activos

No poroso (burbujas gruesas) Burbujas generadas con orificios,

inyectores y toberas Todos los tipos de procesos de fangos activos

Mezclador estático Tubos cortos con deflectores interiores diseñados para retener el aire inyectado por la parte inferior del tubo en contacto con el agua

Laguna de aireación y procesos de fangos activados convencionales

Turbina sumergida Consiste en una turbina de baja velocidad y sistema de inyección de aire comprimido

Todos los tipos de procesos de fangos activados

Tobera o chorro Aire comprimido inyectado en el líquido mezcla al ser bombeado bajo presión a través de una tobera

Todos los tipos de procesos de fangos activados

Superficial:

Turbina de baja velocidad Turbina de gran diámetro utilizada para promover la exposición de la gotas de líquido a la atmosfera

Laguna de aireación y procesos de fangos activados convencionales Aireador flotante de alta

velocidad Hélice de pequeño diámetro que

se usa para promover la exposición de las gotas de agua a la atmosfera

Lagunas aireadas

Aireador de rotor horizontal Las paletas montadas sobre el eje central giran en el seno del líquido. El oxígeno se introduce en el líquido por la acción de salpicadura creada por las paletas y por la exposición de las gotas de líquido a la atmosfera

Zanja de oxidación, canales de aireación y lagunas aireadas

Cascada El agua residual fluye por encima

de una cascada de baja altura de lamina

Postaireaciòn

Fuente(Metcalf & Eddy, 1996))

1.2.4.1.1 Aeradores por Difusión

 Difusores no porosos

Estos difusores se caracterizan por tener orificios fijos o variables, en comparación con los difusores de poro fino el difusor no poroso produce burbujas de mayor tamaño, en consecuencia, en este tipo de difusor el área de transferencia es menor, teniendo como ventaja un precio menor de adquisición en comparación con el difusor de poro fino.

37

 Difusores de poros finos o porosos

Estos difusores se pueden fabricar de diferentes tipos entre ellas tenemos los siguientes tipos:

difusores de placa, el tipo domo, disco y el tubo.

A continuación, se describe los dispositivos típicos de aeración con difusores:

Tabla 6:

Descripción de los dispositivos de aeración con difusores comúnmente utilizados

Tipo o sistema Eficiencia

de transferencia Descripción Véase

figura Porosos

Placa Alta Placas cerámicas cuadradas instaladas sobre soportes fijos o en la solera del tanque

Domo Alta Difusores cerámicos con forma de domo instalados sobre las conducciones de distribución ubicadas cerca del fondo del tanque

2.2 (a) Disco Alta Discos de cerámica rígidos o flexibles de membrana

porosa instalados en las conducciones de distribución ubicadas cerca de la solera del tanque

2.2 (b)

Tubo Moderada a

alta

Difusor en forma de tubo de medio cerámico rígido o plástico flexible o de goma sintética instalados en las tuberías de distribución

2.2 (c) No poroso

Orificio fijo Tubería perforada

spanger Baja Red de tuberías de distribución con pequeños agujeros perforados a lo largo de su longitud

2.2 (d) Baja Elementos que suelen ser de plástico moldeado que se

instalan en las conducciones de distribución

Tubería ranurada Baja Tubería de acero inoxidable con ranuras para suministrar el aire en bandas anchas

Orificio con válvulas

Baja Elemento que contiene una válvula de seguridad para evitar la inversión del flujo cuando se cierra el suministro de aire. Se instala en las tuberías de distribución de aire

2.2 (e) Tubo estático Baja Tubo vertical estático instalado sobre el fondo del tanque

que funciona como airlift

2.2 (f) Manguera

perforada

Baja Manguera perforada dispuesta a lo largo del tanque anclada al fondo

Otros dispositivos Aeración por

inyección Moderada a

alta Dispositivo que descarga, a través de una boquilla situada cerca del fondo del tanque, una mezcla de aire comprimido y liquido bombeado

2.2 (a) Aspiración Baja Bomba de hélice inclinada instalada en la superficie del

tanque que aspira aire y libera bajo la superficie una mezcla de aire y agua

2.2 (b) Tubo en U Alta Descarga el aire comprimido en el tramo descendente de

los reactores tipo “ Deep Shaft” 2.2

(c) Fuente (Metcalf & Eddy, 1996))

38 1.2.5 Oxígeno disuelto

El oxígeno disuelto es considerado como uno de los principales parámetros en lo que concierne a Tratamiento de Aguas Residuales, el OD es un buen indicador del grado de contaminación de una muestra de AR, debido a que el contenido orgánico de ésta está relacionado directamente con su consumo. (Orozco, 2005)

El oxígeno es un fluido escasamente soluble en el agua, resaltando que no reacciona químicamente con ésta. La solubilidad y por tanto la concentración de OD dependerá de muchos factores como:

- Presión parcial del gas (O2) en la atmósfera

La solubilidad de un gas en un líquido (agua) será directamente proporcional a la presión parcial que el gas ejerce sobre el líquido, todo esto a una temperatura constante. Esta proporcionalidad está definida por la Ley de Henry:

𝑃 = 𝐶 ∗ 𝐾 (1) Donde:

𝐶 : 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑃 : 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐾 : 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦

Cabe resaltar que la Ley de Henry nos indicará la cantidad de oxígeno que se puede disolver teóricamente en un cuerpo de agua.

- Altitud (presión atmosférica)

Al incrementar la altitud disminuirá la presión atmosférica, por tanto, de acuerdo a la Ley de Henry (el valor de la presión parcial será menor) la concentración de OD disminuirá.

39 Tabla 7.

Concentración de OD en el agua en función de la temperatura y la presión atmosférica

Temp.

(°C)

Concentración de oxígeno disuelto , mg/l Presión barométrica, mm Hg

735 740 745 750 755 760 765 770 775 780

0 14.12 14.22 14.31 14.41 14.51 14.60 14.70 14.80 14.89 14.99

1 13.73 13.82 13.92 14.01 14.10 14.20 14.29 14.39 14.48 14.57

2 13.36 13.45 13.54 13.63 13.72 13.81 13.9 14 14.09 14.18

3 13 13.09 13.18 13.27 13.36 13.45 13.53 13.62 13.71 13.8

4 12.66 12.75 12.83 12.92 13.01 13.09 13.18 13.27 13.35 13.44

5 12.33 12.42 12.5 12.59 12.67 12.76 12.84 12.93 13.01 13.1

6 12.02 12.11 12.19 12.27 12.35 12.44 12.52 12.6 12.68 12.77

7 11.72 11.8 11.89 11.97 12.05 12.13 12.21 12.29 12.37 12.45

8 11.44 11.52 11.6 11.67 11.75 11.83 11.91 11.99 12.07 12.15

9 11.16 11.24 11.32 11.4 11.47 11.55 11.63 11.7 11.78 11.86

10 10.9 10.98 11.05 11.13 11.2 11.28 11.35 11.43 11.5 11.58

11 10.65 10.72 10.8 10.87 10.94 11.02 11.09 11.16 11.24 11.31

12 10.41 10.48 10.55 10.62 10.69 10.77 10.84 10.91 10.98 11.05

13 10.17 10.24 10.31 10.38 10.46 10.53 10.6 10.67 10.74 10.81

14 9.95 10.02 10.09 10.16 10.23 10.29 10.36 10.43 10.50 10.57

15 9.73 9.8 9.87 9.94 10 10.07 10.14 10.21 10.27 10.34

16 9.53 9.59 9.66 9.73 9.79 9.86 9.92 9.99 10.06 10.12

17 9.33 9.39 9.46 9.52 9.59 9.65 9.72 9.78 9.85 9.91

18 9.14 9.2 9.26 9.33 9.39 9.45 9.52 9.58 9.64 9.71

19 8.95 9.01 9.07 9.14 9.2 9.26 9.32 9.39 9.45 9.51

20 8.77 8.83 8.89 8.95 9.02 9.08 9.14 9.2 9.26 9.32

21 8.6 8.66 8.72 8.78 8.84 8.9 8.96 9.02 9.08 9.14

22 8.43 8.49 8.55 8.61 8.67 8.73 8.79 8.84 8.9 8.96

23 8.27 8.33 8.39 8.44 8.5 8.56 8.62 8.68 8.73 8.79

24 8.11 8.17 8.23 8.29 8.34 8.4 8.46 8.51 8.57 8.63

25 7.96 8.02 8.08 8.13 8.19 8.24 8.3 8.36 8.41 8.47

40

26 7.82 7.87 7.93 7.98 8.04 8.09 8.15 8.2 8.26 8.31

27 7.68 7.73 7.79 7.84 7.89 7.95 8 8.06 8.11 8.17

28 7.54 7.59 7.65 7.7 7.75 7.81 7.86 7.91 7.97 8.02

29 7.41 7.46 7.51 7.57 7.62 7.67 7.72 7.78 7.83 7.88

30 7.28 7.33 7.38 7.44 7.49 7.54 7.59 7.64 7.69 7.75

31 7.16 7.21 7.26 7.31 7.36 7.41 7.46 7.51 7.46 7.62

32 7.04 7.09 7.14 7.19 7.24 7.29 7.34 7.39 7.44 7.49

33 6.92 6.97 7.02 7.07 7.12 7.17 7.22 7.27 7.31 7.36

34 6.80 6.85 6.9 6.95 7 7.05 7.1 7.15 7.20 7.24

35 6.69 6.74 6.79 6.84 6.89 6.93 6.98 7.03 7.08 7.13

36 6.59 6.63 6.68 6.73 6.78 6.82 6.87 6.92 6.97 7.01

37 6.48 6.53 6.57 6.62 6.67 6.72 6.76 6.81 6.86 6.9

38 6.38 6.43 6.47 6.52 6.56 6.61 6.66 6.7 6.75 6.8

39 6.28 6.33 6.37 6.42 6.46 6.51 6.56 6.60 6.65 6.69

40 6.18 6.23 6.27 6.32 6.36 6.41 6.46 6.50 6.55 6.59

Nota. Recuperado de (Metcalf & Eddy, 1991)

- Temperatura

La temperatura es un factor inversamente proporcional a la solubilidad, siempre en cuando se mantenga constante la presión parcial del gas (O2).

Tabla 8.

Valores de saturación de OD para agua destilada a (1atm)

Temperatura (°C)

Temperatura (°F)

O2

(mg/l)

0 32 14.6

5 41 12.8

10 50 11.3

15 59 10.2

20 68 9.2