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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
ROLANDO ALBERTO QUINTANA DÍAZ
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL
JUNÍN - PERÚ 2021
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN UN
AIREADOR EN OPERACIÓN CONTINUA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
ROLANDO ALBERTO QUINTANA DÍAZ
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL
JUNÍN - PERÚ 2021
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN UN
AIREADOR EN OPERACIÓN CONTINUA
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA UNIDAD DE POSGRADO
ACTA DE SUSTENTACIÓN DE TESIS
BACHILLER: ROLANDO ALBERTO QUINTANA DIAZ.
Siendo las diez horas, del día sábado quince del mes de mayo del año dos mil veintiuno, en la sala virtual de la plataforma G SUITE de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú; con la presencia del jurado examinador, conformado por los catedráticos:
PRESIDENTE : Dr. Pascual V. GUEVARA YANQUI.
SECRETARIO : Ms. Jaime B. VERA RODRÍGUEZ.
ASESOR : Dr. Elías A. SANABRIA PÉREZ.
VOCAL (01) : Dr. Elías A. SANABRIA PÉREZ.
VOCAL (02) : Dr. César A. LOAYZA MORALES.
VOCAL (03) : Dr. Orlando A. VILCA MORENO
Se reunieron para la sustentación virtual, oral y pública de la Tesis para optar el grado Académico de MAESTRO en INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL, del Bachiller ROLANDO ALBERTO QUINTANA DIAZ.
Después de darse lectura al Expediente N° 59531, en el que consta el cumplimiento de todas las disposiciones reglamentarias, los señores miembros del jurado, recepcionaron la Tesis titulada:
" VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN UN AIREADOR EN
OPERACIÓN CONTINUA CON DIFUSORES”
Y formuladas las preguntas, estas fueron defendidas y absueltas por el graduando.
Acto seguido el jurado procedió a la votación, el que dio como resultado el siguiente calificativo:
Vocal (01) :..
17 (Bueno)
……….Vocal (02) :..
17 (Bueno)
...Vocal (03) :..
17 (Bueno)
...PROMEDIO:...
17 (Bueno)
....4
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
ROLANDO ALBERTO QUINTANA DÍAZ PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL APROBADO POR EL SIGUIENTE JURADO:
Huancayo, 15 de mayo del 2021
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN UN AIREADOR EN OPERACIÓN CONTINUA
Dr. Pascual V. GUEVARA YANQUI
Ms. Jaime B. VERA RODRÍGUEZ
Dr. Elías A. SANABRIA PÉREZ
Dr. César A. LOAYZA MORALES
Dr. Orlando A. VILCA MORENO.
Dr. Elías A. SANABRIA PÉREZ
PRESIDENTE
SECRETARIO
PRIMER MIEMBRO
SEGUNDO MIEMBRO
TERCER MIEMBRO
ASESOR DE TESIS
5 ASESOR:
Dr. ELIAS ADRIAN SANABRIA PEREZ
6 DEDICATORIA A mi familia, mi fuente de inspiración y vida
7 AGRADECIMIENTO
Expreso mi reconocimiento y agradecimiento a la Facultad de Ingeniería Química y en especial a su Unidad de Posgrado en la mención de Ingeniería Química Ambiental, por concederme la oportunidad de realizar mis estudios de maestría y brindarme sus instalaciones para la ejecución de mi tesis.
También, expreso mi agradecimiento profundo al mentor del trabajo de investigación, el infatigable y buen amigo Dr. Elías Adrián Sanabria Pérez, quien gracias a su dominio del tema y valiosísimos aportes hizo que se logre la ejecución del trabajo.
Mi gratitud imperecedera a mis amigos David Indigoyen Ramírez y Jaime Claros Castellares por sus buenos consejos y apoyo en los momentos más difíciles.
De manera muy especial mi gratitud a la Srta. Yanett Del Pilar Huanca Villanes por su amable, alegre, gentil y muy oportuna atención durante mi permanencia en la Escuela.
Dios te bendiga.
8 RESUMEN
En esta investigación se evaluó el efecto del caudal de agua residual sintética, que
ingresa continuamente a un aireador con difusores, sobre la transferencia de
oxígeno. Para ello, se realizaron experimentos de aireación de aguas residuales,
que fueron preparados con contaminantes de acuerdo a las características que
presentan las aguas residuales domésticas. Se sometieron a prueba dos difusores,
uno de burbuja fina y otro de burbuja gruesa, que se instalaron en un tanque de
aireación. Los caudales de agua residual con que ingresaron y salieron de manera
continua al tanque de aireación fueron 4, 6 y 8 L/min. Todas las pruebas se
realizaron a la presión atmosférica es de 520 mmHg. Se utilizó el coeficiente de
transferencia de oxígeno K
La, como indicador de los efectos en la velocidad de
transferencia de masa de cada ensayo experimental. El K
La se calculó por ajuste
de los datos experimentales de concentración de oxígeno disuelto (C
L), al modelo
matemático generado por balance de masa de oxígeno en estado no estacionario
en el tanque de aireación continua, donde se incluye el mecanismo propuesto de
la teoría de la doble película. El grado de ajuste de los datos al modelo, se realizó
con el coeficiente de determinación del modelo (CD). De la evaluación se concluye
que tanto para el difusor de burbuja gruesa y el difusor de burbuja fina, el KLa
disminuye cuando el caudal aumenta. Pero el efecto no es significativo, como si lo
es, cuando se modifica el tipo de difusor.
9 ABSTRACT
In this investigation, the effect of synthetic wastewater flow, which continuously enters an aerator with diffusers, on oxygen transfer was evaluated. For this, wastewater aeration experiments were carried out, which were prepared with pollutants according to the characteristics of domestic wastewater. Two diffusers, one with a fine bubble and the other with a coarse bubble, were tested and installed in an aeration tank. The wastewater flow rates that entered and left the aeration tank continuously were 4, 6 and 8 L / min. All tests were performed at atmospheric pressure is 520 mmHg. The oxygen transfer coefficient KLa was used as an indicator of the effects on the mass transfer rate of each experimental test. The Kla was calculated by fitting the experimental data of dissolved oxygen concentration (CL), to the mathematical model generated by the mass balance of oxygen in non- steady state in the continuous aeration tank, which includes the proposed mechanism of the theory of the double film. The degree of fit of the data to the model was carried out with the coefficient of determination of the model (CD). From the evaluation it is concluded that for both the coarse bubble diffuser and the fine bubble diffuser, the K
La decreases when the flow rate increases. But the effect is not significant, as it is, when the diffuser type is modified
Keywords: transfer, oxygen, continuous aeration, diffuser, bubble
10 INDICE
DEDICATORIA ... 6
AGRADECIMIENTO ... 7
RESUMEN ... 8
ABSTRACT ... 9
Índice de Figuras ... 12
Índice de Tablas ... 13
NOMENCLATURA ... 14
INTRODUCCION ... 15
CAPITULO I ... 17
1. MARCO TEORICO ... 17
1.1. Antecedentes de la investigación (a nivel internacional, nacional y local) 17 1.2. Bases teóricas que fundamentan la investigación ... 19
1.2.1 Aguas residuales ... 19
1.2.2 Agua residual sintética ... 23
1.2.3 Difusores de aire ... 26
1.2.4 Concentración de saturación de oxígeno en agua. ... 28
CAPITULO II ... 34
2. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION ... 34
2.1 Tipo de Investigación ... 34
2.2 Nivel de Investigación ... 34
2.3 Métodos de Investigación ... 35
2.4 Diseño de Investigación... 35
2.5 Población y Muestra ... 36
2.6 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos ... 37
2.6.1 PROCEDIMIENTOS DE RECOPILACION DE INFORMACION ... 38
2.7 Técnicas de Procesamiento de Datos ... 40
CAPITULO III ... 42
3. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS ... 42
3.1. Presentación, Análisis e Interpretación de los datos ... 42
3.1.1 Datos experimentales de concentración de OD y temperatura. ... 42
3.1.2 Coeficientes globales de transferencia de oxígeno KLa ... 46
3.1.3 EVALUACION DE LA SIGNIFICANCIA DE LAS VARIACIONES DE KLa ... 48
CONCLUSIONES ... 50
RECOMENDACIONES ... 51
11 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 52 ANEXOS ... 54
12 Índice de Figuras
Figura 1. Curva característica de la DBO. ... 22 Figura 2. Difusores de burbuja gruesa ... 27 Figura 3. Difusor de burbuja fina ... 28 Figura 4. Esquema del sistema de oxigenación continua en un tanque con difusor de aire ... 31 Figura 5. Aparato para ensayos experimentales de aireación continua ... 37 Figura 6: Datos experimentales de CL en el tanque de aireación ... 43 Figura 7: Datos experimentales de temperatura del agua residual durante las
pruebas... 46 Figura 8: Resultados de KLa obtenidos simulando el proceso de aireación continua.
... 47
13 Índice de Tablas
Tabla 1. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica ... 21
Tabla 2. Composición del sustrato sintético obtenido del estudio realizado por el Grupo de Investigación colombiano GRESIA ... 24
Tabla 3. Sustrato sintético propuesto en la Norma Alemana ... 25
Tabla 4. Sustrato sintético propuesto por la Universidad de Valencia ... 25
Tabla 5. Técnicas para la preservación del agua residual sintética ... 26
Tabla 6. Relación del rendimiento del difusor según el tipo de burbuja... 28
Tabla 7. Variables y sus niveles para ensayos experimentales ... 35
Tabla 8. Diseño factorial aplicado a la investigación ... 36
Tabla 9. Volúmenes de muestra empleadas en los ensayos. ... 36
Tabla 10. especificaciones del difusor de burbuja fina ... 38
Tabla 11. Concentración de sustancias para el agua residual sintética. ... 39
Tabla 12. Tiempos aproximados en que alcanzan el estado estacionario.... 44
Tabla 13. KLa. obtenidos de la simulación por ajuste a datos experimentales.... 48
Tabla 14. Tabla de análisis de varianza ... 49
14 NOMENCLATURA
𝐶𝐿 Concentración de oxígeno disuelto 𝐾𝐿𝑎 Coeficiente de transferencia de oxigeno 𝐷𝐵𝑂 Demanda bioquímica de oxigeno 𝐷𝑄𝑂 Demanda química de oxigeno
𝐾𝐻 Constante de Henry
𝐶𝑠𝑎𝑡 Concentración de saturación de O2 en el agua
𝐾𝐶𝑠 Constante de la ley de solubilidad de oxígeno en agua 𝑃𝑆 Presión de saturación en la posición de equilibrio
𝐸 Módulo de elasticidad del agua a la temperatura del líquido 𝜌 Densidad del agua a la temperatura del líquido
𝐶𝐷 Coeficiente de determinación
15 INTRODUCCION
Los elementos empleados para hacer posible la transferencia de oxígeno del aire al agua, en plantas de tratamiento de aguas residuales aerobias, son diversos. Estos elementos tienen la misión de permitir que se establezca el contacto físico entre el aire y el agua residual para provocar la transferencia de oxígeno. Los elementos más conocidos y usados son los difusores que emplean aire comprimido, para generar burbujas de diferentes tamaños en el agua residual. También se tienen a elementos mecánicos, como los discos rotativos, en cuya superficie se puede adherir microorganismos. Otro elemento mecánico que también se emplea para oxigenar son impulsores horizontales. Cada uno de ellos, ofrece ventajas y desventajas según la situación o condición que pueda tener el agua residual que se va tratar, aprovechando la capacidad de microorganismos aerobios. Según (Adel et al., 2019), indica que el principal objetivo de una unidad de aireación en plantas de tratamiento de aguas residuales es transferir oxigeno atmosférico al agua residual.
Además, muchos autores mencionan que estas unidades son partes fundamentales para el tratamiento aerobio de agua residual
La presencia de oxígeno disuelto en el agua residual, es muy importante y necesaria para los microorganismos aerobios. Pues este gas disuelto, sirve para su respiración, con lo que se garantiza su actividad metabólica. Entonces, de no proporcionarle el oxígeno necesario, los microorganismos se inactivarán, y no realizarán su proceso biológico para su reproducción. Para la descontaminación del agua residual, es de suma importancia que los microorganismos se reproduzcan, es decir, se genere más biomasa, pues ello conllevara a la transformación de la materia contaminante disuelta en agua residual, en pared celular. Las paredes celulares de los microorganismos, son sustancias que tienen un peso específico mayor a la del agua. Este es el mecanismo que se aprovecha para la descontaminación, que comúnmente lo denominan biodepuración de aguas residuales. La concentración de oxígeno disuelto que debe estar presente en el agua para procesos de descontaminación aerobia continua, Según (Ramalho, 1993) debe estar comprendida entre 0.5 y 2 mg/L
El tema central de esta investigación es la aireación de aguas residuales empleando difusores de aire, donde se opera de manera continua. Es decir, las corrientes de ingreso y salida de agua residual y aire del sistema de aireación, es continua. Dado que se pretende responder a la pregunta ¿Cuál es el efecto del caudal de agua residual sintética en un aireador con difusores en operación continua, sobre la transferencia de oxígeno del aire al agua residual? Por la razón de que en la literatura especializada no se encuentran
16 datos que permitan explicar la pregunta, a las condiciones atmosféricas de la localidad de Huancayo. La velocidad de transferencia de oxígeno que posee un sistema de oxigenación, se explica y define satisfactoriamente con el mecanismo propuesto en la teoría de la doble película de Lewis y Whitman. Es en esta teoría, que se define el coeficiente de transferencia global de oxígeno, como un parámetro para medir cuan rápido es la capacidad que tienen un sistema de oxigenación de agua residual por aireación. Este parámetro es el que se usa para medir los efectos que tiene el caudal en la transferencia de oxígeno. Otro aspecto que motivó a realizar esta investigación, es dado que la aireación es una operación importante en el tratamiento de aguas, también es la más costosa, por lo que en la operación contina se desea observar cómo es el comportamiento.
De acuerdo a esto, en la investigación se presenta la información necesaria tanto teórica como experimental, que permitió cumplir con los objetivos siguientes:
Objetivo General
• Evaluar el efecto del caudal de agua residual sintética sobre la transferencia de oxígeno del aire a la fase liquida, durante la aireación en operación continua con difusores.
Objetivos Específicos
• Determinar las características físicas y químicas que tienen las aguas residuales sintéticas.
• Determinar el coeficiente de transferencia de oxígeno para la aireación del agua residual sintética con un aireador en operación continúa utilizando 2 tipos de difusor.
• Evaluar la influencia del caudal de agua residual sintética en la rapidez de transferencia de oxígeno para la aireación.
El informe se dividió en tres capítulos: capítulo I donde se presenta antecedentes y teoría fundamental. Capitulo II, donde se presenta y explica la metodología, técnicas, y procedimientos aplicados para lograr el objetivo. Capitulo III, en el que muestran los resultados y su discusión. En la parte final se encuentra las conclusiones y recomendaciones.
17 CAPITULO I
1. MARCO TEORICO
1.1. Antecedentes de la investigación (a nivel internacional, nacional y local) (Colombet et al., 2018) Realizó 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.
(Al-Ahmady, 2006) Realizo el trabajo de investigación titulada “Analysis of Oxygen Transfer Performance on Sub-surface Aeration Systems”. El objetivo 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.
El trabajo realizado en China por (Cheng et al., 2016) y titulado “Efecto de las diferentes formas de difusor de aire sobre los coeficientes de transferencia de masa de oxígeno en sistemas de aireación microporosos”, cuyo objetivo fue evaluar el comportamiento de diferentes formas del difusor, en dicha investigación detallaron un sistema de aireación que incluye básicamente: un compresor de aire, un difusor de aire y la alimentación de oxígeno mediante un compresor. Realizaron un gran
18 número de experimentos de oxigenación a diferentes formas de difusor de aire enrollado por un tubo que tenía la misma longitud para cada forma. Se trabajo con 4 formas de difusor (en forma de I, C, S y disco), a diferente profundidad del agua (0.4m, 0.55m, 0.7m), los caudales de aire fueron (0.6 m3/h, 1.8 m3/h), para calcular los coeficientes de transferencia de masa volumétrica de oxígeno se basó en el método de prueba estándar para oxigeno establecido por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE). Los resultados que obtuvieron los autores detallan que; el difusor en forma de I presento mayor eficiencia de aireación optima seguido por el difusor en forma de C, el difusor en forma de disco y finalmente el disco en forma de S. Como dato adicional se determinaron que, al cubrir la parte superior del tanque, el coeficiente de transferencia de masa volumétrica de oxígeno se redujo considerablemente.
(Pittoors et al., 2014) realizo una investigación titulada: “Desarrollo de modelo de transferencia de oxígeno basado en lodos activados y agua limpia en tanques cilíndricos aireados difusos”, que estudio la transferencia de masa volumétrica Kla en un proceso de lodos activados (ASP) y en agua limpia a diversas condiciones de operación. Realizaron una correlación empírica para Kla con relación a nueve variables establecidas, las cuales fueron: volumen del tanque, diámetro, área de superficie, altura, caudal del aire, superficie y profundidad; las variables para los difusores fueron: tamaño de burbuja, y viscosidad dinámica, estas pruebas fueron realizadas tanto para agua limpia y para lodos activados. Con los datos que obtuvieron los autores desarrollaron un modelo empírico de alta precisión para Kla (R mayor al 0.95). Como conclusión de dicha investigación se reconoció que los coeficientes en un mismo modelo base para agua limpia y lodos activados tuvieron una variación del 66%, sin embargo, presentaron tendencias y efectos parecidos en diversos parámetros geométricos, hidrodinámicos y fisicoquímicos. Con relación a las 9 variables usadas en la investigación determinaron que la tasa de flujo de aire tiene mayor incidencia en la transferencia de oxígeno tanto en agua limpia como en lodos activados, seguidos por la profundidad de los difusores y el tamaño de burbuja de los difusores; estas variables tienen mayor impacto en presencia de biomasa.
En la investigación titulada “OXYGEN TRANSFER AND AERATION EFFICIENCY - INFLUENCE OF DIFFUSER SUBMERGENCE, DIFFUSER DENSITY, AND BLOWER TYPE” realizado por (Wagner & Popel, 1998), en dicha investigación revisaron diversas literaturas para determinar la influencia real de la inmersión, densidad del difusor y tipo de soplador en la transferencia de oxígeno y la eficiencia
19 de aireación. Los datos más resaltantes de la revisión muestran que se puede obtener altos valores de absorción especifica de oxígeno siempre y cuando la densidad del difusor sea alta, también que la tasa de transferencia volumétrica de oxígeno resulta mayor al aumentar la profundidad de inmersión al mismo caudal de aire y menor absorción especifica de oxígeno. Al final de la investigación se concluyó, que lograr altos valores de absorción de oxígeno es posible empleando tanques poco profundos, altas densidades de difusor y menor flujo de aire especifico; también se puede lograr altas eficiencias de aireación, empleando valores altos de tasa de transferencia de oxígeno volumétrico y una selección rigurosa de ventiladores utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
En el trabajo de investigación llevado a cabo por (Mohan. T et al., 2021) y titulado
“Numerical modelling of oxygen mass transfer in diffused aeration systems: A CFD- PBM approach” desarrollaron un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) con el fin de simular la transferencia de masa de oxígeno. Los resultados brindados por los autores detallan que el coeficiente volumétrico de transferencia de masa de oxígeno aumento en un 15% al disminuir el tamaño de la burbuja hasta un 10%. Las burbujas de aire generadas por el difusor tuvieron una distribución más amplia, con un diámetro más grande cerca de la base del biorreactor y una distribución de menor amplitud con un tamaño de burbuja menor en la parte superior. También determinaron que la concentración de oxígeno llega a su saturación cuando la relación de la altura con respecto al ancho es de 2.5 y no presenta cambio cambios con el aumento de dicha altura. El tamaño de burbuja que presento mayor eficiencia fue el de 6 mm para un flujo de aire de 1.45 m3/h.
1.2. Bases teóricas que fundamentan la investigación 1.2.1 Aguas residuales
Las aguas residuales han existido desde las primeras civilizaciones quienes hacían uso de la asimilación y la autodepuración del agua, como sus descargas eran mínimas sus vertidos no presentaban mayor inconveniente. Sin embargo, en la actualidad la creciente densidad de población y las industrias han provocado que esta capacidad se vea rebasada, por ello es necesario la puesta en marcha de pantas depuradoras y unidades de tratamiento de agua residual. (Lozano-rivas, 2016) define al agua residual como “aquellas aguas de desecho que contienen una gran cantidad de sustancias contaminantes y que han sido empleadas en alguna actividad humana sea doméstica, industrial, pecuaria, agrícola o recreativa”.
20 Asimismo, (García et al., n.d.) define a la aguas residuales “como aquellas que por uso de hombre, representan un peligro y deben ser desechadas, porque contienen gran cantidad de sustancias y/o microorganismos.
Las aguas residuales se originan en la manipulación del agua limpia, esta manipulación genera que se incorporen diversas sustancias que la vuelven no utilizable. Este tipo de agua que ha perdido valor en su uso inicial, se le denomina agua residual. (Quiroz et al., 2019)
Este mismo autor subdivide a las aguas residuales en:
• Servidas: aguas residuales originadas de lavamanos, duchas, lavaplatos, etc.
• Municipales: aguas residuales de origen doméstico, comercial e institucional que contienen desechos humanos.
• Crudas: aguas residuales con un nulo tratamiento
• Industriales: aguas procedentes de procesos industriales.
1.2.1.1 Origen de las aguas residuales
Para la clasificación de aguas residuales según su origen, la bibliografía ofrece diferentes opciones, sin embargo, la clasificación realizada por (Lozano-rivas, 2016) es la que más se adapta a los fines de nuestra investigación. Las aguas residuales según su origen se dividen en:
Agua residual domesticas
Son los residuos líquidos originados en las zonas residenciales, casas, establecimientos comerciales e instituciones públicas y privadas. Estas aguas residuales pueden subdividirse en:
• Aguas negras: aguas que en su composición presentan heces y orina.
• Aguas grises: aguas jabonosas que pueden contener grasas, originadas en las duchas, tina, lavamanos, lavaplatos, etc.
21 Agua residual municipal urbana
Aguas residuales provenientes de un volumen de población urbano, incluyendo actividades domésticas e industriales que son transportadas por una red de alcantarillado.
Agua residual industrial
Aguas residuales originadas en procesos industriales, incluidos los de origen agrícola o pecuario.
1.2.1.2 Características fisicoquímicas de las aguas residuales
Es necesario e imprescindible una completa caracterización de las aguas residuales para su posterior tratamiento. Esta caracterización es sumamente importante ya que permite selección correctamente los tratamientos y diseño de la planta de tratamiento.
Materia orgánica:
Es la fracción más importantes de los constituyentes de las aguas residuales domésticas y municipales, esto a razón de que, es la principal causa de agotamiento de oxígeno de los cuerpos de agua. La materia orgánica está compuesta principalmente por CHONS (carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y azufre) formando las proteínas (restos de origen animal y vegetal), los carbohidratos (restos de origen vegetal), los aceites y grasas, y restos de lavandería (detergentes).
Tabla 1. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica
Tipo de materia orgánica
Tipo de descomposición
Aeróbica Anaeróbica
Nitrogenada Nitratos (NO3=), anhidrido carbónico (CO2), agua (H2O), sulfatos (SO4=)
Mercaptanos, indoles, escatol, ácido sulfhídrico (H2S), cadaverina y putrescina.
Carbonácea Anhidrido carbónico (CO2), agua (H2O)
Anhidrido carbónico (CO2), gas metano (CH4), gas hidrogeno (H2), ácidos, alcoholes y otros.
22 Oxígeno disuelto:
El oxígeno disuelto es un parámetro fundamental para la flora y fauna acuática, este valor debe ser superior a los 4 mg/L con el fin de cumplir la demanda de los organismos superiores para su supervivencia. El valor de OD se usa como indicador para informarnos sobre la salud de los cuerpos hídricos. Se dice que una planta de tratamiento aerobio de agua residual tiene un correcto funcionamiento cuando la concentración mínima es de 1 mg/L.
Demanda bioquímica de oxígeno.
La demanda bioquímica de oxígeno está asociada a la medición indirecta del total de materia orgánica presente en una muestra de agua, que está determinado por la demanda de oxígeno requerido por los microorganismos con el fin de degradar los compuestos biodegradables. Esta medición se logra evaluando analíticamente la incubación de una muestra por un lapso de 5 días y a una temperatura de 20°C, al cabo de este tiempo se mide la concentración final de oxígeno y se compara con la concentración inicial, a este procedimiento se le conoce como DBO5 o DBO estándar. Cuando la medición se realiza en 7 días se conoce como DBO7, cuando se realiza en 20 días DBO20 (DBO ultima, DBOU o DBOt). Para las aguas residuales domesticas se estima que:
𝐷𝐵𝑂5 ≈ 0.75 𝐷𝐵𝑂𝑈
A continuación, se muestra una figura con la curva característica de la demanda bioquímica de oxígeno, se observa que después de 5 días la materia orgánica se a degradado aproximadamente 70%, también se observa que a partir del día 10 la curva se hace asintótica. (Ramalho, 1996)
Figura 1. Curva característica de la DBO.
23 Demanda química de oxigeno
La demanda química de oxígeno, está asociada a la medición indirecta del total de materia orgánica presente en una muestra de agua. La principal diferencia con la DBO, es que en esta prueba se hace uso de un oxidante fuerte-dicromato de potasio- en un medio acido (ácido sulfúrico), en lugar de microorganismo que son usados en la DBO. Este método es más recomendando debido a que los resultados se obtienen en 2 horas y más precisión que con la DBO.
La relación entre estos dos métodos se emplea para estimar la biodegrabilidad de una muestra.
• DQO/DBO ≥ 5 (No biodegradable)
• DQO/DBO ≤1.7 (Muy biodegradable)
En general para el agua residual domestica esta relación comprende entre 2.0 y 2.5.
1.2.2 Agua residual sintética
Las aguas residuales provenientes de actividades domésticas generalmente están compuestas de material biológico, químico y físico, ya sea en disolución o suspensión. Además, la fracción orgánica es el principal componente de las aguas residuales domésticas con un 70% de la materia solida presente. (Tebbutt, 1992) El estudio y tratamiento de este tipo de aguas residuales en laboratorios, genera diversos contratiempos y dificultades que se mencionan a continuación: (Rodríguez Sánchez & Lozano-Rivas, 2012)
• Dificultad de transporte de grandes muestras para ser llevadas al laboratorio para alimentar reactores.
• Demanda importante de tiempo para trasladarse a tomar permanentemente muestras para alimentar dichos reactores
• Variabilidad en las características fisicoquímicas y bacteriologías de las aguas residuales crudas.
• Peligrosidad en la manipulación de las aguas residuales por la presencia de microorganismos patógenos.
Por estas adversidades descritas anteriormente, se usa un sustrato sintético, de preparación relativamente fácil y con ingredientes comunes, que tenga similares características al agua residual original, pero con 0% de organismos patógenos.
24 Una ventaja adicional para el uso de aguas residuales sintéticas con una composición conocida, es “que permite controlar las condiciones iniciales requeridas para la calibración del sistema, como también las concentraciones del sistema, como también las concentraciones del nitrógeno, fosforo carbohidratos y otros nutrientes orgánicos”. (Eduardo & López, 2008)
En el país de Colombia el grupo de investigación GRESIA, propuso una preparación de sustrato de agua residual sintética para uso en laboratorios y en reactores prototipo. Las pruebas realizadas a esta agua residual sintética, mostraron un comportamiento similar entre el agua residual original y el agua residual sintética.
En la siguiente tabla se muestra la composición de dicha agua residual sintética.
(Avendaño, 2018)
Tabla 2. Composición del sustrato sintético obtenido del estudio realizado por el Grupo de Investigación colombiano GRESIA
Compuesto Cantidad (mg/L) Observaciones
Leche en polvo 100 La descremada es más rica en sales minerales, pero tiene menos contenido de grasa. Si no tiene azúcar, evaluar la necesidad de agregar glucosa Gelatina sin sabor 35 Si además es sin azúcar, evaluar la necesidad de
agregar glucosa a la mezcla
Almidón 170 Se puede usar fécula de maíz, comercialmente conocida como maicena
Sal común 28 NaCl
Azúcar 28 Glucosa (C6H12O6)
Urea 3 CO(NH2)2
Fosfato bicálcico 40 CaHPO4-2H2O
Sulfato de magnesio 2.5 Conocida comercialmente como Sal de EPSON Jabón de tocador 3 gotas Líquido y no antibacterial. Para algunos ensayos
puede prescindirse de el
Aceite de soya 15 gotas Puede prescindirse de el en algunos ensayos
En el trabajo realizado por (Miyashiro et al., 2004), se emplearon dos sustratos de aguas residuales sintéticas muy usadas actualmente. La primera fue propuesta por la norma alemana y la segunda propuesta por la universidad de valencia.
25
Tabla 3. Sustrato sintético propuesto en la Norma Alemana
Sustrato N.º 1 (DIN 38412)
Compuestos (mg/L)
Peptona 160
Extracto de carne 110
Urea 30
KH2PO4 28
NaCl 7
CaCl2.2H2O 4
MgSO4.7H2O 2
Tabla 4. Sustrato sintético propuesto por la Universidad de Valencia
Sustrato N.º 2 (Univ. de Valencia 2000)
Compuestos (mg/L)
Gelatina 34
Almidón 171
Leche en polvo 102
Jabón de tocador 3
MgSO4.7H2O 3
KH2PO4 44.5
(NH4)2SO4 74.2
NaHCO3 150
Para el correcto uso y preservación de las muestras de agua residual sintética, se realizó una tabla adaptada de (Avendaño, 2018) detallando los cuidados y técnicas usadas para su preservación:
26 Tabla 5. Técnicas para la preservación del agua residual
sintética Parámetro a
estudiar
Tipo de recipiente
Técnica de preservación
Tiempo de preservación
máximo recomendado
antes del análisis
comentarios
Demanda química de
oxigeno
Plástico o vidrio Acidificar a pH entre 1 y 2 con ácido sulfúrico
1 mes 6 meses
pH Plástico o vidrio Enfriar entre 1°C y 5°C
6 horas El ensayo se debería llevarse a cabo lo más pronto posible Solidos
suspendidos totales (SST)
Plástico o vidrio Enfriar entre 1°C y 5°C
2 días
1.2.3 Difusores de aire
Los difusores de aire son equipos que proporcionan burbujas de diferentes tamaños mediante superficies porosas como, fibra de vidrio torcida, carborundum, materiales envueltos en sarán o unidades con orificios. (Bío-bío et al., 2013)
En el tanque de aireación el área de superficie varia proporcionalmente con el tamaño de burbuja. Esta variable también afecta a la tasa de oxígeno, debido a la variación de superficie de contacto (mayor o menor), según el tamaño de burbuja.
Se considera que el difusor de burbuja gruesa es más económico que el de burbuja fina. (Bohórquez Rincon & Sarmiento Higuera, 2017)
Existe diferentes tipos de difusores a continuación, que se detallan en las siguientes líneas:
1.2.3.1 Difusores de burbuja gruesa:
El diámetro de burbuja de estos tipos de difusor es mayor a 10 mm, estas burbujas se elevan continua y velozmente desde la base del tanque hasta la superficie. Este tipo de difusores son usados de forma vertical y para el bombeo de agua ya que solo transfiere la mitad del oxígeno y presenta mayor costo de energía en comparación con el de burbuja fina. El sistema que emplea burbujas gruesas
27 necesita aproximadamente de 30 a 40% más aire que el de burbuja fina, para obtener la misma transferencia de oxígeno.
Los difusores de burbuja gruesa son mayormente usados en el tratamiento secundario de aguas residuales, donde las partículas y microorganismos que provienen de procesos anteriores (floculación. Sedimentación, etc.) tienden a obstruir los poros de burbuja fina, generando mayores gastos de mantenimiento y limpieza. (Bío-bío et al., 2013)
Figura 2. Difusores de burbuja gruesa
1.2.3.2 Difusores de burbuja fina
El diámetro de burbuja de estos tipos de difusor es mayor a 1mm y menor que 3 mm, estas burbujas se elevan continua y lentamente desde la base del tanque hasta la superficie, transfiriendo oxigeno de forma más eficiente.
Estos difusores se distribuyen uniformemente en la base del tanque de aireación proporcionando “gran flexibilidad operativa, las cuales pueden crear zonas con altas concentración de oxígeno (aeróbico), zonas con una concentración mínima de oxígeno (anoxia) y las zonas sin oxígeno (anaeróbico)” (Bío-bío et al., 2013), esto genera una mejor focalización y eliminación de algunos contaminantes específicos.
La velocidad con la que ascienden las burbujas finas en un tanque de aireación varía entre 25 a 30 cm/s. (Davies et al., 1950)
28 Figura 3. Difusor de burbuja fina
El coeficiente de transferencia total de oxígeno conocido como KLa, presenta un importante aumento cuando el tamaño de las burbujas es menor. El valor de KLa presenta su valor máximo cuando el tamaño de burbujas se encuentra entre 1-2.5 mm, y tiende a disminuir conforme el tamaño de burbuja aumenta. (Sano et al., 1974). Esto se genera por el aumento total de la superficie de contacto, considerando un flujo de aire constante, el tamaño de burbuja de 2 mm presenta seis veces el área de superficie que una burbuja de tamaño 5 mm.
A continuación, se muestra una tabla con los rendimientos en relación para cada tamaño de burbujas, considerando 100% de rendimiento en burbujas finas.
Tabla 6. Relación del rendimiento del difusor según el tipo de burbuja
Tipo de burbuja Rendimiento
Burbujas finas 100 %
Burbujas medianas 70%
Burbujas gruesas 40-50 %
Adaptado de (Bío-bío et al., 2013)
1.2.4 Concentración de saturación de oxígeno en agua.
En general, los gases, poseen la posibilidad de disolverse en sustancias liquidas, hasta alcanzar una cierta concentración denominada de saturación. Pero, estas concentraciones, a las cuales se pueden disolver no son las mismas para todos los gases. Esto depende de muchos factores, entre los cuales están: la naturaleza del soluto y solvente (ósea del gas y del líquido respectivamente), la temperatura principalmente del líquido y, la presión del gas.
Entonces, si un gas y un líquido relativamente no volátil, se ponen en contacto físico hasta que alcance el equilibrio, la concentración resultante del gas en el líquido se
29 denomina solubilidad del gas a la temperatura y presión a que se encuentra este sistema gas líquido (OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA, Roberto Treybal, Mc Graw-Hill. Mexico.2010). Esta solubilidad del gas es la concentración de saturación; o, dicho de otro modo, es la concentración a la que un gas puede disolverse en un líquido, como máximo, cuando alcanza el equilibrio a una temperatura y presión dada.
La solubilidad de un gas en un líquido, es posible estimarlo aplicando la ley de Henry, cuya ecuación matemática es:
𝐶 = 𝐾𝐻𝑃 (1)
Donde: C es la solubilidad de un gas en un líquido. P, es la presión parcial del gas.
𝐾𝐻, es la constante de Henry, que depende de las características del gas y líquido, así como de la temperatura.
La ley de Henry es utilizada para diversos cálculos de equilibrio liquido-gas. Pero, no es de aplicación general, pues hay situaciones donde la ley no es aplicable, por razones diferentes tales como la existencia de interacción química entre el gas y el líquido o disociación electrolítica, también, presiones altas del gas en equilibrio.
Para evitar desviaciones de la realidad, cuando se aplica la ley de Henry, se deben emplear 𝐾𝐻 determinados experimentalmente.
De acuerdo a la ecuación (1), la solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión. Es decir, la solubilidad de un gas en un líquido se incrementa con la presión que ejerce el gas sobre el líquido. Y, de modo inverso, si la presión disminuye, también la solubilidad del gas.
El comportamiento de la solubilidad del gas en un líquido, con relación la temperatura, es de modo que inverso. Es decir, si la temperatura disminuye, la solubilidad aumenta, o si la temperatura aumenta, la solubilidad disminuye. Este comportamiento no se observa de modo explícito en la ecuación (1), pues la temperatura afecta a la constante de Henry.
Dentro de la revisión bibliográfica científica, también se encuentra otra ecuación que permite estimar la concentración de saturación de oxígeno en agua, que recientemente se publicó. Esta ecuación es la que propuso (Lee, 2017), que lo denomina ley de la solubilidad de oxígeno en agua. La ecuación propuesta es:
𝐶𝑠𝑎𝑡= 𝐾𝐶𝑠∗ 𝑃𝑆
𝑇5𝐸𝜌 (2)
30 Donde:
𝐶𝑠𝑎𝑡, es la concentración de saturación de O2 en el agua
𝐾𝐶𝑠: es la constante de la ley de solubilidad de oxígeno en agua, 43.4 para las unidades correspondientes de presión y temperatura.
𝑃𝑆: es la presión de saturación en la posición de equilibrio, 520 mmHg = 0.684211atm
𝑇: es la temperatura absoluta del líquido, 𝑇
1000 (K)
𝐸: es el módulo de elasticidad del agua a la temperatura del líquido, KN/m2 𝜌: es la densidad del agua a la temperatura del líquido, kg/m3
El módulo de elasticidad y la densidad del agua, son propiedades físicas que están afectados por la temperatura del líquido. De acuerdo a una correlación de sus respectivos valores de tablas de propiedades físicas, con la temperatura, se estableció las siguientes ecuaciones para estimar sus valores.
Para el módulo de elasticidad del agua es:
𝐸: − 0.001𝑇2+ 0.0133𝑇 + 1.9828 (3) Para la densidad agua es:
𝜌: 0.00005𝑇3− 0.0084𝑇2+ 0.068𝑇 + 999.82 (4) Debe indicarse que en estas dos ecuaciones (3) y (4) la temperatura debe introducirse en °C
1.2.5 Balance de masa en el sistema de aireación continua
Con el fin de obtener un modelo que permita ajustar los datos experimentales de concentración de oxígeno disuelto durante la aireación continua, y con ello también, calcular la constante que caracteriza velocidad de transferencia de oxígeno, se realiza a continuación, el balance de masa para el oxígeno que se trasfiere al líquido.
Como la oxigenación del agua residual se realiza en un tanque de aireación, de manera que ingresa y sale de manera continua agua y aire, entonces, se tiene la figura siguiente:
31
Figura 4. Esquema del sistema de oxigenación continua en un tanque con difusor de aire
Donde:
𝑄𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜, es el caudal de agua residual (A.R.) que ingresa al tanque (L/min).
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎, es el caudal de AR que sale del tanque de aireación (L/min).
𝐶𝐿,𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜, es la concentración de oxígeno disuelto (OD) en el AR en la corriente de ingreso (mg/L).
𝐶𝐿,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎, es la concentración de OD en el AR en la corriente de salida (mg/L).
𝐶𝐿,𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒, es la concentración de OD en el AR contenida en el tanque (mg/L).
𝐶𝐿,𝑜, es la concentración de OD en el AR contenida en el tanque al iniciar la operación de aireación. Es decir, para un tiempo = 0 minutos. (mg/L)
𝑚̊𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜, es el flujo másico de ingreso de aire (mg/min) 𝑉, es el volumen de AR en el tanque (L)
Entonces, de acuerdo a la figura anterior, el balance de masa para el oxígeno en estado no estacionario es:
(
𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒
𝑂2 𝑎𝑙 𝐴𝑅 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒.
) = (
𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑂2 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
) − (
𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑂2 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛
) + (
𝑅𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑂2 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝐴𝑅
𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
) (5)
32 La rapidez de transferencia de O2 al agua residual en el tanque, está definido por la ecuación propuesta por Lewis y Whitman para la absorción de gases de baja solubilidad, como es el caso del oxígeno en agua.(Lewis & Whitman, 1924). En la ecuación propuesta está incluida un coeficiente de transferencia de oxígeno (𝐾𝐿𝑎), que es el indicador de la velocidad de transferencia de oxígeno, y depende de la geometría del equipo, temperatura y presión. También se incluye la concentración de saturación del oxigeno en agua
Durante la oxigenación del agua residual se considera que:
• 𝑄𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 = 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑄 (caudal del agua constante)
• 𝜌𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜= 𝜌𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎= 𝜌 (densidad del líquido constante por ser incompresible)
• 𝐶𝐿,𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒= 𝐶𝐿,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎= 𝐶𝐿 (se considera que el tanque es de mezcla homogénea)
• 𝐶𝐿,𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜= 𝐶𝐿,𝑜
• 𝐾𝐿𝑎 (coeficiente de transferencia de oxígeno es constante, por poca variación de temperatura y también condiciones de flujo de A.R. y aire)
• 𝑚̊𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜: flujo másico de ingreso de aire constante
• 𝑉: (invariable durante el proceso)
𝐾𝐿𝑎𝑉 ∗ (𝐶𝑠𝑎𝑡− 𝐶𝐿) = 𝑄(𝐶𝐿− 𝐶𝐿,0) + 𝑉𝑑𝐶𝐿
𝑑𝑡 (6)
Solucionando esta ecuación diferencial se tiene que:
𝐶𝐿=−(𝑁−𝑃)𝑒
𝑀𝑡
𝑉+(𝑁+𝑄𝐶𝐿.𝑜)
−𝑀 (7)
Donde:
𝑀 = −(𝐾𝐿𝑎 ∗ 𝑉 + 𝑄) (8)
𝑁 = 𝐾𝐿𝑎 ∗ 𝑉 ∗ 𝐶𝑠𝑎𝑡 (9)
𝑃 = 𝐾𝐿𝑎 ∗ 𝑉 ∗ 𝐶𝐿,𝑜 (10)
Con la ecuación (7) se simulará la oxigenación desde un momento (t=0) donde se tiene que la concentración inicial de OD en el tanque de oxigenación es igual a la concentración de OD que ingresa 𝐶𝐿,𝑜. También, como se indica antes de la ecuación (6), 𝑄, 𝜌, 𝐶𝐿,𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜, 𝑉 𝑦 𝑚̊𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 constantes.
33 Es necesario indicar que para generar valores simulados con la ecuación (7), se deberá utilizar todos los datos que permanecerán constantes. Luego se asumirá valores de 𝐾𝐿𝑎 con los que se ajuste mejor los datos experimentales. Para esto, se deberá utilizar el coeficiente de determinación del modelo.
1.2.6 El Coeficiente de Determinación del Modelo
En la literatura se encuentra que el coeficiente de determinación (CD) del modelo, según Loague & Green 199, citado por (S Medina-Peralta , L Vargas-Villamil, J Navarro-Alberto, C Canul-Pech, 2010), es la relación entre la variación total de los datos observados en los experimentos al cuadrado y, el total de las diferencias al cuadrado de los valores estimados por el modelo respecto de la media de los datos observados experimentalmente.
Según Tedeschi 2006, valores de CD cercanos a uno indica predicciones satisfactorias del modelo. De otro modo si, CD mayor a 1, entonces el modelo no predice o no se ajusta a los datos experimentales. Del mismo modo que si CD es menor a1.
(11) Donde:
𝑦𝑖 es el iesimo valor observado experimentalmente
𝑦̅, es el promedio de los valores observados experimentalmente 𝑧𝑖, es el iesimo valor estimado por el modelo.
n, es el número de observaciones
34 CAPITULO II
2. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
En general, la metodología que se adoptó en esta investigación se dividió en dos partes.
En la primera se realizó una búsqueda y revisión de la bibliografía básica, relacionada al proceso de oxigenación de aguas residuales para su tratamiento biológico aerobio. La segunda parte consistió en la aplicación del método científico, como herramienta para resolver la pregunta que se planteó en el proyecto de investigación, y también para comprobar la validez de la solución.
2.1 Tipo de Investigación
Como en esta investigación se buscó dar solución a un problema practico, sin la generación de conocimiento básico; sino más bien, se procuró la aplicación de teoría de los fenómenos de transferencia y solubilidad de oxígeno en agua, propuesta por diferentes autores; entonces, el tipo de investigación es aplicada.
Además, el procedimiento de cálculo de coeficiente de transferencia de oxígeno en un sistema de aireación de operación continua, se pretende aplicarlo como un nuevo procedimiento para sistemas de aireación de aguas residuales en funcionamiento continuo. Lo indicado en esta parte, se sustenta en los conceptos de Cegarra (2011), quien menciona: “la investigación aplicada o tecnológica tiene por finalidad la invención de artefactos o de procesos con el objeto de ofrecerlos al mercado y obtener un beneficio económico, la investigación tecnológica es esencialmente experimental, y aplica conocimientos básicos”. También Chávez (2007), “la investigación aplicada es aquella que se dirige a la acción inminente y no al desarrollo de teoría y sus resultados, mediante actividades precisas para enfrentar el problema”. Y otros autores.
2.2 Nivel de Investigación
El alcance que se tuvo con los resultados y análisis de los mismos en esta investigación, fue de nivel explicativo. Pues, las velocidades de transferencia de oxígeno obtenidas para cada situación experimental ensayada, permitió en primer lugar, establecer la relación entre el coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa), y el caudal de agua residual sintética que fluyó de manera continua al aireador, tanto con un difusor de burbuja fina y uno de burbuja gruesa. Con ello, se estableció una explicación de la influencia del caudal sobre el KLa. Pues como lo indica (Roberto Hernandez Sampieri, 2014) : “los estudios explicativos Pretenden establecer las causas de los sucesos o fenómenos que se estudian”
35 2.3 Métodos de Investigación
El método de investigación que se utilizo fue el experimental; pues, para lograr alcanzar los objetivos propuestos en esta investigación, se recabaron datos de ensayos experimentales, de aireación de agua residual sintética en operación continua. En los experimentos se manipuló intencionalmente, los niveles de caudal de agua residual que ingresa al aireador, y el tipo de difusor utilizado para la aireación. Y, el efecto se observó en la velocidad de transferencia de oxígeno. Un experimento es definido por (Fleiss, 2013; O’Brien, 2009 y Green, 2003); citados por (Roberto Hernandez Sampieri, 2014) como “un estudio en el que se manipulan intencionalmente una o más variables independientes (supuestas causas antecedentes), para analizar las consecuencias que la manipulación tiene sobre una o más variables dependientes”. Este método experimental que uso parar recabar datos en esta investigación, está contenido dentro del método científico que se siguió para toda la investigación.
2.4 Diseño de Investigación
Dentro del método experimental que se estableció, el diseño que se aplicó para conseguir los datos de interés, con los que se procuró dar respuesta a la pregunta de investigación, así como explicar los efectos del caudal de agua residual y el tipo de difusor, sobre la velocidad de transferencia de oxígeno, fue el diseño factorial de 2 x 3. Pues, según las variables manipuladas intencionalmente, el tipo de difusor tiene dos niveles, y el caudal de agua residual tiene tres niveles. Para cada condición experimental, que resultó de combinar los niveles de las dos variables, se realizó tres replicas.
Las variables y sus niveles, con los que se realizó las pruebas experimentales, se tienen en la siguiente tabla.
Tabla 7. Variables y sus niveles para ensayos experimentales
Variables independientes
Niveles
bajo medio alto
Tipo de difusor Burbuja fina --- Burbuja gruesa Caudal de agua residual 4 L/min 6 L/min 8 L/min
De acuerdo a estas variables con sus respectivos niveles, las combinaciones para el diseño factorial 2 x 3, se muestra en la tabla siguiente. Se puede notar en esta
36 tabla, que también sirvió como registro, las tres repeticiones que se realizaron para cada prueba experimental.
Tabla 8. Diseño factorial aplicado a la investigación
VARIABLES INDEPENDIENTES VARIABLE DEPENDIENTE
(RESPUESTA) TIPO DE DIFUSOR
CAUDAL DE AGUA RESIDUAL
(L/min)
KLa
I II II
Burbuja gruesa 4
Burbuja gruesa 6
Burbuja gruesa 8
Burbuja fina 4
Burbuja fina 6
Burbuja fina 8
2.5 Población y Muestra
Las características que presenta la población en esta investigación son: aguas residuales de origen sintético, desoxigenada con bisulfito de sodio, con una concentración de contaminantes equivalente a 400 ppm en demanda química de oxígeno (DQO) y, que se encuentra a las condiciones de temperatura y presión atmosférica de Huancayo.
El volumen total de muestra que se utilizó para realizar todos los ensayos de aireación continua, y con ello obtener los datos de KLa requeridos, de acuerdo al diseño factorial indicado en la tabla anterior fue de 2916 L. Para iniciar cada ensayo, se tenía cargado agua residual sintética, en el tanque de alimentación 18 L y, en el tanque del aireador con difusor 36 L. Iniciado cada ensayo al caudal de agua residual definido, se suministró continuamente agua residual al tanque de alimentación, para mantener el nivel de líquido y con ello mantener el caudal. El tiempo que duró cada prueba fue de 18 minutos. Con estas indicaciones, en la siguiente tabla se presenta los volúmenes de muestra que se empleó en cada experimento.
Tabla 9. Volúmenes de muestra empleadas en los ensayos.
Combinación de niveles para los experimentos
Volumen de muestra utilizado (L)
TIPO DE DIFUSOR
CAUDAL DE AGUA RESIDUAL
(L/min)
KLa
I II II
Burbuja gruesa 4 126 126 126
Burbuja gruesa 6 162 162 162
Burbuja gruesa 8 198 198 198
Burbuja fina 4 126 126 126
Burbuja fina 6 162 162 162
Burbuja fina 8 198 198 198
TOTAL 2916
37 2.6 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Los ensayos experimentales se desarrollaron en el aparato de aireación continua, cuyo esquema se muestra a continuación:
Figura 5. Aparato para ensayos experimentales de aireación continua
De acuerdo a esta figura:
El tanque de alimentación (TA), es un recipiente de polietileno con forma cilíndrica y transparente. Posee un diámetro de 30 cm, altura 38 cm y una capacidad total en volumen de 20 L. En este tanque se instaló un sensor de oxígeno disuelto (SODA) y un sensor de temperatura (STA). En la parte lateral e inferior, se encuentra instalada una tubería con válvula (VA) de acero inoxidable de ½ pulgada de diámetro nominal, la cual sirvió para regular la alimentación al tanque de aireación.
El tanque de aireación (TB) es un recipiente de acrílico con refuerzos de acero inoxidable. Las dimensiones de largo x ancho x altura que posee son 30 cm x 30 cm x 50 cm respectivamente. El volumen total que almacena es de 45 L. En la base del recipiente se encuentra instalada un difusor, con posibilidad de cambiar para otras pruebas. En la parte lateral e inferior, se encuentra fijada una tubería con válvula (VB) de 1 pulgada de diámetro nominal y de acero inoxidable. Al igual que
38 en el tanque anterior, también se encuentra un sensor de temperatura (STB) y un sensor de oxígeno disuelto (SODB).
El aire proveniente del compresor tuvo una presión de 30 psi, pero el regulador instalado antes del difusor redujo tal presión hasta 2 psi. También se instaló un medidor masico térmico de flujo de aire, la que conjuntamente con la válvula VC
permitió regular el flujo de aire para todos los experimentos a 5 L/min medido a condiciones estándar (0 °C y 1atm).
Las especificaciones técnicas del difusor de aire son las siguientes.
Tabla 10. especificaciones del difusor de burbuja fina Diámetro
Rango de flujo
Área de membrana activa Numero de perforaciones Diámetro de burbujas Temperatura del aire
9’’
0 – 198 L/min 0.038m2 6600 1 - 2 mm Hasta 100 °C Fuente: https://www.giisamex.com.mx/
Los sensores de temperatura son de variación de resistencia (PT100). Los sensores de oxígeno disuelto son ópticos por emisión de fluorescencia. Estos sensores fueron conectados a un dispositivo registrador de datos, para que las magnitudes medidas sean registradas cada minuto.
2.6.1 PROCEDIMIENTOS DE RECOPILACION DE INFORMACION
Los datos que se utilizaron para la evaluación y análisis procedieron de ensayos experimentales de aireación de las muestras de agua residual sintética. Los procedimientos para la preparación y la oxigenación por aireación continua de las muestras son del modo siguiente:
Procedimiento para la preparación de muestras de agua residual sintética El agua residual sintética utilizada para los ensayos se preparó adicionando sustancias al agua potable. Las concentraciones de las sustancias que se adicionaron se indican en la tabla siguiente. La demanda química de oxígeno (DQO) de las muestras de agua preparadas fue de 400 ppm. Para la desoxigenación del agua, se utilizó bisulfito de sodio y cloruro de cobalto.
39 Tabla 11. Concentración de sustancias para el agua residual sintética.
Sustancia masa adicionada/ volumen de liquido (g/L)
Peptona 0.189
Sacarosa 0.0455
Almidón 0.106
Sulfato de amonio 0.02275
Fosfato dibásico de Na 0.0045
• En el tanque de alimentación y tanque de aireación del aparato experimental, se vertió 18L y 36L de agua potable respectivamente.
• Luego, se adicionó y disolvió las sustancias indicadas en la tabla anterior con sus respectivas cantidades según el volumen de agua en cada tanque.
• En seguida, con la ayuda de los sensores de OD (SODA y SODB), se midió la concentración de OD del líquido en ambos tanques. Con la concentración, se calculó las cantidades estequiométricas y en exceso de sulfito de sodio y cloruro de cobalto, que se adicionaron a cada tanque para desoxigenar el líquido.
• Se esperó unos minutos para que la concentración de OD disminuyera hasta un valor próximo a cero.
• El mismo procedimiento se empleó para preparar el volumen necesario de muestras de agua, que sirvió para suministrar al tanque de alimentación durante los ensayos de aireación continua. Para ello, se utilizaron recipientes de polietileno con una capacidad de 18 L.
Realizado todo esto, ya se encontraba expedito para iniciar los ensayos.
Procedimiento para obtener datos experimentales de aireación
Con las muestras de agua residual sintética preparadas, también, con el aire comprimido en el compresor y, con todos los sensores y registrador activados, se inicia la aireación. Para ello:
• Con la válvula Vc y con la lectura del medidor de flujo de aire, se regulo el flujo aire a 5L/min (a 0°C y 1atm).
40
• En seguida y, rápidamente se abrieron y regularon las válvulas VA y VB para
