PERÚ”
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
TESIS
PRESENTADA POR:
ARLITT AMY LOZANO POVIS
PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRA MENCIÓN: Gestión Ambiental y Desarrollo Sostenible
Huancayo – Perú
2020
“EFECTO DE TRES TIPOS DE DIFUSORES DE AIRE COMPRIMIDO SOBRE LA CAPACIDAD DE OXIGENACIÓN
EN AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS-HUANCAYO”
DEDICATORIA
A ti Alejandro Povis Japay, mi querido abuelito quien cuida de mí desde el cielo y a mi hermanita Danielita quien con su alegría y carisma ha ganado mi corazón entero.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme la fuerza y el tiempo necesario para cumplir con esta meta profesional.
Agradezco a mi querida madre Betzi Liliana Povis Condori por sus sabios consejos y espíritu emprendedor durante estos años de estudios.
Agradezco a mis tíos José, Susy, Gabriela y Dayanara por sus palabras de aliento.
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTO ... iv
ÍNDICE DE TABLAS ... viii
ÍNDICE DE FIGURAS ... ix
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
INTRODUCCIÓN ... 12
CAPITULO I MARCO TEÓRICO ... 14
1.1. Antecedentes de la investigación ... 14
1.2. Bases teóricas y conceptuales ... 19
1.2.1. Aguas Residuales ... 19
1.2.1.1. Clasificación ... 20
a) Aguas residuales domésticas: ... 20
b) Aguas residuales industriales ... 20
c) Aguas residuales urbanas... 20
d) Aguas de escorrentía pluvial ... 21
1.2.1.2. Propiedades ... 21
a) Físicas y químicas ... 21
Sólidos totales ... 22
Olor ... 22
Temperatura... 23
Color ... 23
pH ... 23
b) Constituyentes orgánicos ... 24
Hidratos de carbono: ... 24
Grasas y aceites: ... 25
Proteínas: ... 25
Agentes tensoactivos: ... 25
Compuestos orgánicos volátiles: ... 25
c) Constituyentes inorgánicos ... 26
Metales pesados: ... 26
Alcalinidad: ... 26
Cloruros: ... 26
Fósforo: ... 27
Azufre: ... 27
d) Constituyentes biológicos ... 27
Microorganismos: ... 27
Bacterias: ... 28
Hongos: ... 28
Algas: ... 29
Plantas y animales: ... 29
Organismos patógenos: ... 29
1.2.1.3. Indicadores de calidad de agua residual ... 29
a) Oxígeno Disuelto ... 29
b) Demanda Bioquímica de Oxígeno ... 29
c) Demanda Química de Oxígeno ... 30
d) Sólidos ... 30
e) Carbono orgánico total ... 31
1.2.1.4. Aguas residuales sintéticas ... 31
1.2.1.5. Oxigenación de aguas residuales ... 33
a) Capacidad de Oxigenación ... 33
b) Teoría de la doble película de Lewis y Whitman ... 34
c) Obtención del coeficiente KLa ... 35
KLa en ensayos no estables: ... 35
KLa en ensayos estables: ... 36
Factores que afectan el KLa ... 37
Temperatura ... 38
Efecto de las características del agua residual... 38
Presión: ... 38
Otros factores que afectan el coeficiente global de transferencia de oxigeno: ... 39
1.2.1.6. Sistemas de aireación ... 40
a) Sistemas de aire difuso ... 41
Difusores de poro fino ... 43
Difusores de placa ... 43
Difusores de domo ... 43
Difusor de tubo... 43
Difusores no porosos ... 44
b) Sistemas de aire mecánicos ... 44
c) Sistemas de aire híbridos ... 45
1.3. Definición de términos básicos ... 45
a) Difusión ... 45
b) Oxígeno disuelto ... 45
c) Aireación... 46
d) Compresión ... 46
e) Oxidación Microbiana ... 46
1.4. Hipótesis de investigación ... 46
1.4.1. General ... 46
1.4.2. Específicas ... 46
1.5. Operacionalización de variables ... 46
CAPÍTULO II DISEÑO METODOLÓGICO ... 48
2.1. Nivel de Investigación ... 48
2.2. Tipo de Investigación: ... 48
2.3. Método y diseño de la Investigación: ... 48
2.4. Población y Muestra ... 50
2.4.1. Población: ... 50
2.4.2. Muestra: ... 50
2.4.3. Técnica de muestreo: ... 50
2.5. Técnicas e instrumentos de recopilación de datos ... 50
2.5.1. Procedimiento para la preparación del agua residual doméstica sintética... 51
2.5.2. Procedimiento para la recolección de datos (Fase de Laboratorio)... 52
2.5.3. Técnica de procesamiento de datos ... 52
CAPÍTULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 54
3.1. Resultados ... 54
3.1.1. Datos de operación a considerar en los experimentos ... 54
3.1.2. Concentración de oxígeno disuelto y temperatura ... 54
3.1.2.1. Tipo de difusor A ... 55
3.1.2.2. Tipo de difusor B ... 56
3.1.2.3. Tipo de difusor C ... 57
3.1.3. Coeficiente global de Transferencia de Masa ... 59
3.1.4. Capacidad de oxigenación... 61
3.1.5. Prueba de significancia ... 64
3.1.5.1. Capacidad de oxigenación... 64
CONCLUSIONES ... 67
RECOMENDACIONES ... 68
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 69
ANEXOS ... 74
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Contaminantes característicos de las aguas residuales ... 19
Tabla 2 Constituyentes de aguas residuales domésticas ... 20
Tabla 3 Contaminantes característicos de las aguas residuales urbanas ... 20
Tabla 4 Propiedades físicas y químicas de las aguas residuales ... 21
Tabla 5 Factores que caracterizan el olor ... 23
Tabla 6 Clasificación de microorganismos ... 27
Tabla 7 Composición del sustrato sintético propuesto por la Universidad de Valencia32 Tabla 8 Composición de sustrato sintético descrito en la norma alemana DIN 38412 32 Tabla 9 Composición de Aguas Residuales sintéticas ... 32
Tabla 10 Métodos dinámicos para determinar KLa ... 36
Tabla 11 Métodos estables para determinar KLa ... 37
Tabla 12 Presión de vapor de agua ... 39
Tabla 13 Factores que afectan la transferencia de oxígeno ... 39
Tabla 14 Dispositivos empleados en aguas residuales ... 42
Tabla 15 Ventajas y desventajas de los difusores de poro fino ... 43
Tabla 16 Variables independientes de la investigación ... 49
Tabla 17 Registro de datos ... 49
Tabla 18 Preparación de la muestra ... 52
Tabla 19 Coeficiente global de transferencia de masa obtenidas ... 60
Tabla 20 Ecuaciones de regresión polinómica obtenidas... 64
Tabla 20 Resultados de capacidad de oxigenación obtenidos para el tipo de difusor A ... 64
Tabla 21 Resultados de capacidad de oxigenación obtenidos para el tipo de difusor B ... 65
Tabla 22 Resultados de capacidad de oxigenación obtenidos para el tipo de difusor C ... 65
Tabla 23 Resultados de Análisis de Varianza para el diseño factorial de dos factores de efectos fijos ... 65
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Sólidos presentes en el agua ... 22
Figura 2 . Clasificación de los constituyentes orgánicos del agua residual ... 24
Figura 3. Clasificación de los constituyentes inorgánicos de aguas residuales ... 26
Figura 4. Clasificación de las bacterias ... 28
Figura 5. Clasificación de los sólidos en aguas residuales ... 31
Figura 6. Transferencia de oxígeno en una burbuja de gas ... 33
Figura 7. Transferencia de masa en la interfase ... 34
Figura 8. Métodos de determinación de KLa ... 35
Figura 9. Equipos de aireación en aguas residuales ... 41
Figura 10. Clasificación sistemas de aire difuso ... 42
Figura 11 .Clasificación de los sistemas mecánicos... 44
Figura 12 .Clasificación de los aireadores de superficie ... 45
Figura 13 Componentes de la unidad experimental ... 51
Figura 14 .Concentración de oxígeno disuelto vs tiempo en el tipo de difusor A ... 55
Figura 15 .Temperatura del agua residual vs tiempo en el tipo de difusor A ... 55
Figura 16 .Concentración de oxígeno disuelto vs tiempo en el tipo de difusor B ... 56
Figura 17 .Temperatura del agua residual vs tiempo en el tipo de difusor B ... 56
Figura 18 .Concentración de oxígeno disuelto vs tiempo en el tipo de difusor C ... 57
Figura 19 .Temperatura del agua residual vs tiempo en el tipo de difusor C ... 57
Figura 20 .Concentración de oxígeno disuelto de los tres tipos de difusores de aire comprimido ... 58
Figura 21.ln(Csat-Cl) vs tiempo - Tipo de difusor A ... 59
Figura 22. ln(Csat-Cl) vs tiempo - Tipo de difusor B ... 59
Figura 23. ln(Csat-Cl) vs tiempo - Tipo de difusor C ... 60
Figura 24. ln(Csat-Cl) vs tiempo - Tipo de difusor A,B,C ... 61
Figura 25. Capacidad de oxigenación vs tiempo-Tipo de difusor A ... 62
Figura 26. Capacidad de oxigenación vs tiempo-Tipo de difusor B ... 62
Figura 27. Capacidad de oxigenación vs tiempo-Tipo de difusor C ... 63
RESUMEN
Durante el tratamiento biológico de aguas residuales, la etapa de aireación encamina a gastos energéticos costosos, siendo uno de los elementos más críticos de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Por ello, en el presente estudio, se planteó como objetivo principal explicar el efecto de tres tipos de difusores de aire comprimido y el tiempo de aireación sobre la capacidad de oxigenación en aguas residuales domésticas. La investigación fue de tipo experimental, en la que se obtuvieron datos de oxígeno disuelto, velocidad de transferencia de oxígeno y coeficiente global de trasferencia de masa, los cuales sirvieron para determinar la capacidad de oxigenación y su variación en el tiempo. Los experimentos de aireación se realizaron con tres tipos de difusores de aire comprimido (burbuja fina, burbuja gruesa y burbuja extragruesa) a diferentes tiempos (0,2.5, 5 y 7.5 minutos).Con los datos recolectados, se llegó a establecer que, el difusor de burbuja fina tiene una capacidad de oxigenación mayor a los de burbuja gruesa y extragruesa. También, esa capacidad disminuye en todos los casos, según aumenta el tiempo de aireación, debido a que existe poco déficit de oxígeno en el agua. Con esto se concluye que, el tipo de difusor y el tiempo de aireación tienen un efecto significativo en la capacidad de oxigenación.
Palabras clave: difusor de aire comprimido, capacidad de oxigenación, coeficiente global de trasferencia de masa.
ABSTRACT
During the biological treatment of wastewater, the aeration stage leads to expensive energy costs, being one of the most critical elements of wastewater treatment systems. Therefore, the main objective of the present study was to explain the effect of the types of compressed air diffusers and the aeration time on the oxygenation capacity in domestic wastewater. The research was experimental, in which data on dissolved oxygen, oxygen transfer speed and global mass transfer coefficient were obtained, which were used to determine the oxygenation capacity and its variation over time. The aeration experiments were carried out with 3 types of compressed air diffusers (fine bubble, thick bubble and extra thick bubble) at different times (0.2.5, 5 and 7.5 minutes). With the data collected, it was established that, the Fine bubble diffuser has a greater oxygenation capacity than coarse and extra coarse bubbles. Also, this capacity decreases in all cases, as the aeration time increases, because there is little oxygen deficit in the water. With this it is concluded that the type of diffuser and the aeration time have a significant effect on the oxygenation capacity.
Keywords: compressed air diffuser, oxygenation capacity, global mass transfer coefficient.
INTRODUCCIÓN
En general, en toda planta de tratamiento de aguas residuales, la cantidad de oxígeno disuelto debe ser suficiente para cumplir con los requerimientos que supone su tratamiento. Así mismo, influye en el volumen de agua que podrá ser purificado (Rojas & Durán, 2006). Es sabido que, el funcionamiento eficiente de los procesos aeróbicos, como el de lodos activados, depende de la disponibilidad de oxígeno. Sin embargo, su baja solubilidad y tasa de transferencia resulta insuficiente para cumplir con los requisitos del tratamiento de desechos aeróbicos ya que no ingresa de forma sencilla al agua a través de la interfaz normal aire-agua (Cheng et al., 2016).
Es así que, el proceso de aireación por difusión consiste en la interacción de las burbujas de gas con agua (Al-Ahmady, 2006). Esta situación, ha provocado que en los últimos años se busquen nuevos sistemas que permitan procesos de oxigenación más eficientes que requieran menor gasto energético y operativo (Town et al., 2014).
En vista de esto, resulta importante realizar un estudio y análisis de la capacidad de oxigenación de difusores de aire comprimido, que permitan una transferencia rápida de oxígeno (Schierholz et al., 2006).
Por ello, en el presente trabajo de investigación se pretende: a) Explicar el efecto de tres tipos de difusores de aire comprimido y el tiempo de aireación sobre la capacidad de oxigenación en aguas residuales domésticas, b) Determinar el efecto de tres tipos de difusores de aire comprimido y el tiempo de aireación en la concentración de oxígeno disuelto en agua y su variación con el tiempo. c) Determinar el efecto del tipo de difusor de aire comprimido y el tiempo de aireación en la velocidad de transferencia de oxígeno instantánea y d) Determinar el efecto de tres tipos de difusores de aire comprimido y el tiempo de aireación en el coeficiente global de transferencia de masa de oxígeno.
Este estudio fue dividido en 3 capítulos, el primero, contiene la revisión bibliográfica realizada y los antecedentes que sustentan esta investigación así como las bases teóricas; el segundo, involucra el diseño metodológico y el
tercero, presenta los resultados obtenidos y la discusión de los mismos.
Finalmente, se detallan las conclusiones y recomendaciones.
CAPITULO I MARCO TEÓRICO
1.1. Antecedentes de la investigación
Dentro de los antecedentes respecto a este tema en particular, se tiene:
(Herrmann-Heber et al., 2019), en su artículo de investigación:
“Dynamic aeration for improved oxygen mass transfer in the wastewater treatment process”, estudiaron los efectos del caudal, la frecuencia de pulsación, el tamaño de la burbuja y la profundidad de inyección en la transferencia de masa en el tratamiento de aguas residuales. El método de aireación dinámica, que aplica oscilaciones al flujo de gas, muestra un alto potencial para aumentar la transferencia de masa de oxígeno y la eficiencia energética del proceso biológico de tratamiento de aguas residuales para lo cual aplicaron la siguiente metodología: con los modos de aireación pulsada calcularon el coeficiente de transferencia de masa y la compararon con la aireación de flujo constante en una geografía de prueba de un estudio numérico. A continuación, pulsaron el gas con un patrón de onda cuadrada en modo encendido / apagado para la aplicación de aireación en cuencas de plantas de tratamiento de aguas residuales. Luego, investigaron la influencia de la aireación a profundidades de hasta 4 m y pulsaron el suministro de aire con frecuencias en el rango de 0.1–4 Hz. Finalmente, determinaron el aumento de la tasa de transferencia de masa de oxígeno que fue de más del 24% en comparación con la aireación equivalentes a las tasas de flujo de masa de gas más bajas durante la pulsación. Concluyeron que, la demanda de aire en compresión y consumo de energía se pueden reducir cuando se aplica la aireación dinámica.
(Skouteris et al., 2020), en su artículo de investigación:
“The use of pure oxygen for aeration in aerobic wastewater treatment: A review of its potential and limitations”, revisaron las limitaciones de la aireación de oxígeno puro y su potencial para determinar el efecto de los parámetros operativos del sistema y las características de los licores mixtos sobre la transferencia de oxígeno y viceversa. El oxígeno puro trata cargas más altas sin comprometer la calidad del efluente. Concluyeron que, las burbujas finas son más eficientes en la transferencia de oxígeno por su mayor área de contacto. Sin
embargo, el oxígeno puro no siempre es esencial, por lo que recomiendan restringirlo a aplicaciones donde el aire no es adecuado.
(Barreto et al., 2018), en su artículo de investigación:
“Sidestream superoxygenation for wastewater treatment: Oxygen transfer in clean water and mixed liquor”, evaluaron el rendimiento de un sistema de superoxigenación a escala piloto en agua limpia y licor mixto. Así mismo, aplicaron un balance de masa en el sistema a escala piloto para determinar el coeficiente de velocidad de transferencia de masa de oxígeno global (KLa), la velocidad de transferencia de oxígeno estándar (SOTR) y la eficiencia de transferencia de oxígeno estándar (SOTE%). Además, el factor alfa fue determinado a una concentración de sólidos en suspensión de licor mixto (MLSS) de aproximadamente 5 g/L-1. De igual manera, obtuvieron SOTEs de casi el 100% en agua limpia y licor mixto, obtuvieron como resultados que a tasas de flujo de oxígeno más altas, se podían lograr tasas de transferencia más altas;
esto sin embargo, a expensas de la eficiencia de transferencia. Como se esperaba, observaron menores eficiencias de transferencia en licor mixto a comparación del agua limpia y los factores alfa variaron entre 0.6 y 1.0. Sin embargo, obtuvieron valores de aproximadamente 1 en todos los casos ajustando el caudal de oxígeno entregado al sistema.
(Gonza, 2017), en su trabajo de investigación:
“Análisis de la transferencia de masa de oxígeno para sistema de tratamiento de aguas residuales a 3820 mnsm”, evaluó el proceso de aireación con un difusor cerámico de poro fino en 20 L de agua limpia y agua contaminada. Procesaron los datos que obtuvieron de 28 pruebas experimentales aplicando el método de regresión no lineal ajustada por el algoritmo de Gauss Newton, donde estimó los coeficientes de transferencia de masa según los modelos de la American Society of Civil Engineers (ASCE) y las correlaciones que realizó resultaron apropiadas para la mejora del proceso. Concluyó que, el coeficiente en la zona media es mayor respecto a la superficial y la temperatura afecta de forma similar.
(Cheng et al., 2016), en su artículo de investigación:
“Effect of the Different Shapes of Air Diffuser on Oxygen Mass Transfer Coefficients in Microporous Aeration Systems”, emplearon sistemas de aireación microporosos de diversas formas (I,C,S y en forma de disco), que constaron de
un compresor, difusor y una línea de suministro de aire para reoxigenación el agua dentro de un tanque de vidrio en diferentes cuerpos de agua que requerían mayor concentración de oxígeno disuelto. El caudal de aire estuvo entre 0.6-1.8 m3 / h a una profundidad de agua de 0.4 m, 0.55 m y 0.7 m. Aplicaron el método establecido por la ASCE para oxígeno y los coeficientes volumétricos de transferencia de masa y concluyeron que, la aireación óptima está bajo el uso de un difusor en forma de I, luego un difusor en forma de C y disco y el de menor rendimiento es el que brinda la forma de S.
(Barber et al., 2015), en su artículo de investigación:
“Superoxygenation : analysis of oxygen transfer design parameters using high- purity oxygen and a pressurized column”, plantearon los requerimientos energéticos en el tratamiento de aguas residuales en el que examinaron la aireación de agua bajo presión con oxígeno gaseoso puro y sus efectos en 5 parámetros de diseño a diferentes presiones. Encontraron que, al aumentar la presión del aire y el oxígeno: KLa disminuyó, Csat aumentó, SOTR y SAE se mantuvieron constantes. Los autores concluyeron que, la superoxigenación es un método viable para aumentar la transferencia de oxígeno y reducir costos.
Del mismo modo el coeficiente de transferencia de masa disminuyó al aumentar la presión y es independiente de la concentración del oxígeno en la burbuja.
(Pittoors et al., 2014), en su artículo de investigación:
“Oxygen transfer model development based on activated sludge and clean water in diffused aerated cylindrical tanks”, determinaron que la transferencia de masa de oxígeno debería trabajarse en condiciones no reactivas para tener mejores condiciones de operación en procesos de lodos activados y basándose en modelos matemáticos. Establecieron que, existe una correlación empírica entre el coeficiente de transferencia de oxígeno y otras variables de las muestras de agua limpia. Llegando a la conclusión de que, los parámetros que afectaron al coeficiente de transferencia de oxígeno fueron el flujo de aire, profundidad y tamaño de burbuja. El área de superficie de difusores tuvo un impacto significativamente mayor en presencia de biomasa haciendo posible que establecieran un modelo matemático apto para este proceso.
(Montoya, 2012), en su trabajo de investigación:
“Modelo matemático que permita evaluar el cambio de la DBO5 soluble debido a agentes inhibitorios en un proceso de lodos activados”, planteó un modelo matemático en el que asoció la velocidad de consumo y transferencia de oxígeno pero presentaron dificultades en la degradación biológica de materia orgánica durante el tratamiento de aguas residuales. Para la experimentación, empleó un reactor discontinuo para medir la velocidad de consumo de oxígeno y un diseño experimental de tipo factorial. Así mismo, utilizó agua residual sintética contaminada con detergente y grasa de origen animal elementos que provocaron el incremento del gasto de oxígeno por los microorganismos influyendo en el mecanismo de la DBO5.
(F. Rodríguez et al., 2012), en su trabajo de investigación:
“Bioresource Technology Comparative study of the use of pure oxygen and air in the nitrification of a MBR system used for wastewater treatment”, buscaron optimizar el rendimiento de una planta de tratamiento de biorreactores de membrana para tratar aguas residuales. Los autores, propiciaron condiciones aeróbicas para eliminar el material orgánico a diferentes tiempos de retención hidráulica de 12 y 18 horas, llegando a determinar el valor de los factores alfa del proceso de aireación en presencia de cantidades bajas de sólidos suspendidos. Concluyeron que, a condiciones normales y en estado estacionario el resultado obtenido fue mejor que cuando utilizaron oxígeno puro.
(Schierholz et al., 2006), en su trabajo de investigación:
“Gas transfer from air diffusers”, establecieron la relación existente entre los coeficientes de transferencia de masa volumétrica de burbuja y la superficie del sistema en 179 pruebas de aireación a diferentes profundidades de contacto entre el difusor y la muestra. Lo cual les permitió determinar que, el coeficiente de transferencia de burbuja y la superficie del sistema son directamente proporcionales a la cantidad de gas incrementándose con los difusores de burbuja gruesa.
(Al-Ahmady, 2006), en su investigación:
“Analysis of oxygen transfer performance on sub-surface aeration systems”, estableció el efecto de la profundidad del agua en el tanque y la extensión del área de cobertura de los difusores para cada capacidad de transferencia de oxígeno, eficiencia y porcentaje de absorción de oxígeno. El autor obtuvo los
siguientes resultados: la profundidad del agua y la extensión del área de cobertura del difusor tuvieron un efecto significativo en los parámetros probados, el porcentaje de absorción de oxígeno varió de 0.45-5.4% según las condiciones de prueba con lo que obtuvo modelos matemáticos específicos para describir estos efectos. Concluyó que, la forma exponencial de la ecuación demostró ser eficiente al describir el efecto de la profundidad de agua sobre la capacidad de transferencia de oxígeno mientras que; la forma lineal de la ecuación resultó ser suficientemente buena para que represente el efecto de los otros parámetros.
(Durán, 2005) , en su investigación:
“Propuesta de un modelo de dos zonas simplificado para el estudio de la transferencia de oxígeno en sistemas de aeración con difusores de poro fino”,propuso un modelo de dos zonas simplificado para evaluar la transferencia de oxígeno con sistemas de aeración de poro fino que le permitieron evaluar el efecto de diversos contaminantes en la velocidad de transferencia de oxígeno.Durante su investigación diferenció dos zonas de transferencia de masa, la primera,en la que se dispersan las burbujas de agua y la segunda, donde se reairean. Para los experimentos, realizó pruebas de aireación con un difusor de poro fino de aproximadamente 1000 L de agua limpia y otras pruebas con agua contaminada. Luego ,estimó los coeficientes volumétricos de transferencia de oxígeno de las dos zonas de aireación y con ellos el factor alfa (α) de las aguas contaminadas. Finalmente, realizó una regresión lineal múltiple para predecir los factores alfa en sistemas en los que hay mezclas de dos o tres de los contaminantes y la eficiencia del tratamiento.Concluyó que , el coeficiente de la zona de aireación en la superficie fue la más afectada por el flujo de aire, mientras que la temperatura afectó de manera similar los coeficientes de ambas zonas.
(Erazo & Cárdenas, 2001), en su trabajo de investigación:
“Determinación experimental del coeficiente de transferencia de oxígeno(KLa) en un biorreactor Batch”,tuvieron como objetivo, determinar experimentalmente el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (KLa), en un biorreactor de operación batch a 30°C .Obtuvieron que, existe una relación directamente proporcional al grado de aireación y agitación, mientras que fue inversamente proporcional a la viscosidad. El método de ensayo de eliminación del gas pudo aplicarse a sistemas con o sin presencia de microorganismos. Como resultado
general tuvieron que, los únicos datos requeridos para determinar el KLa son la concentración de oxígeno disuelto en función al tiempo.
(Condori, 2014), en su trabajo de investigación:
“Diagnóstico para la implementación de Saneamiento de las aguas residuales para su reutilización en áreas verdes en Ciudad Universitaria de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann”, realizó el diagnóstico para implementar un sistema de saneamiento de aguas residuales que fueron generadas en los laboratorios de esta casa superior de estudios. En la parte experimental, analizó parámetros como sólidos totales disueltos, DBO, pH y caudal .Luego aplicó, un diseño factorial para evaluar el tiempo de aireación y flujo de aire que le proporcionaron los valores de oxígeno disuelto.Concluyó que, el punto óptimo para la aireación es 25 minutos ,el flujo de aire de 15 ml/s y 8,01mg/L de oxígeno disuelto.
1.2. Bases teóricas y conceptuales 1.2.1. Aguas Residuales
Se trata de aquellas aguas cuyas características iniciales fueron modificadas por actividades antrópicas y necesitan un tratamiento preliminar para ser vertidas a un cuerpo natural de agua o al alcantarillado cuya composición, puede ser orgánica o inorgánica en formas disueltas o suspendidas (NORMA OS.090, 2006).
Las características de cada tipo de agua residual son diferentes porque dependen en gran medida de la cantidad de población, sistema de alcantarillado, actividades industriales o la incidencia de la pluviometría que afectan a las propiedades fisicoquímicas de estas aguas (OEFA, 2014, p. 6). En la tabla 1 se presentan los principales contaminantes que caracterizan a estas aguas:
Tabla 1
Contaminantes característicos de las aguas residuales
Parámetros Unidades de medida Rango
Sólidos en suspensión mg/L 150-300
DBO mg/L 200-300
DQO mg/L 300-600
Nitrógeno mg N/L 50-75
Fósforo mgP/L 15-20
Grasas mg/L 50-100
Coliformes Totales UFC/100ml 106-107 Fuente: (CENTA, 2008, p. 23)
1.2.1.1. Clasificación
Las aguas residuales se clasifican de la siguiente manera:
a) Aguas residuales domésticas:
Provienen de actividades humanas propiamente de origen residencial y comercial, que pueden contener residuos fisiológicos, entre otros (OEFA, 2014, p. 7) . En la tabla 2 se mencionan a los principales constituyentes de estas aguas:
Tabla 2
Origen de aguas residuales domésticas
Tipo Origen
Agua de cocina Materia orgánica, grasas, sólidos o sales Agua de lavadoras Detergentes
Agua de baño Shampoo, jabón, etc.
Aguas negras Materia orgánica, sólidos, sales, nutrientes, organismos patógenos, etc.
Fuente:(CENTA, 2008, p. 17)
b) Aguas residuales industriales
Aguas vertidas desde establecimientos en los que se desarrollan actividades productivas Su incidencia, depende del crecimiento poblacional y del grado de industrialización así como las características de los vertidos que las industrias realicen a las redes de alcantarillado (OEFA, 2014, p. 7).
c) Aguas residuales urbanas
Aguas de tipo doméstico que se mezclan con las de tipo industrial o de drenaje pluvial y que requieren de tratamiento (Ramalho, 2003), cuya composición se presenta en la tabla 3:
Tabla 3
Contaminantes característicos de las aguas residuales urbanas
Contaminantes Características
Objetos gruesos Dispuestos a redes de alcantarillado
Arena Origen mineral u orgánico
Grasas y aceite Origen doméstico o industrial y son inmiscibles con el agua.
Sólidos en suspensión Partículas de tamaño variable
Sustancias que requieren oxígeno Compuestos de naturaleza orgánica o inorgánica
Nutrientes Principalmente del uso de detergentes o fertilizantes
Agentes patógenos Protozoos,bacterias,virus responsables de la propagación de enfermedades Contaminantes emergentes Propios de productos farmacéuticos o de
belleza Fuente: (CENTA, 2008, p. 22)
d) Aguas de escorrentía pluvial
Provenientes de agua de lluvia que llega al sistema de alcantarillado. Son severamente afectadas por distintos tipos de contaminación producidas durante los primeros 15 minutos (Ramalho, 2003).
1.2.1.2. Propiedades a) Físicas y químicas
Las características físicas más importantes de las aguas residuales son el total de sólidos suspendidos, olor, temperatura, color, pH, oxígeno disuelto y temperatura cuyo origen se presenta en la siguiente tabla (Metcalf & Eddy, 1995).
Tabla 4
Propiedades físicas y químicas de las aguas residuales
Parámetros Fuente
Color Aguas residuales domésticas e industriales
Olor Agua residual en descomposición
Sólidos suspendidos Aguas residuales domésticas , erosión del suelo
Oxígeno disuelto Aguas residuales domésticas e industriales pH Aguas residuales domésticas e industriales Temperatura Aguas residuales domésticas e industriales Fuente: (Metcalf & Eddy, 1995, p. 54)
Sólidos totales
Obtenidos a partir de la evaporación del agua residual a 103 y 105 °C, una parte sedimenta dentro de un cono Imhoff e indica la cantidad de fango que se obtendrá de la decantación primaria del agua residual.
Figura 1. Sólidos presentes en el agua
Fuente:(Orozco, 2005)
En la figura 1 se detalla la clasificación de los sólidos totales y la posibilidad de ser filtrados o no, la primera corresponde a los sólidos coloidales y disueltos.
Los sólidos coloidales no pueden ser eliminados por sedimentación ya que contienen moléculas orgánicas e inorgánicas y para ser eliminados requieren procesos de oxidación biológica o coagulación, posterior a ello aplicar la sedimentación. A 550±50 °C la fracción orgánica que queda se oxida y convierte en gas mientras la fracción inorgánica se convierte en cenizas. El análisis de sólidos volátiles se utiliza para determinar la estabilidad biológica de los fangos presentes en las aguas residuales (Metcalf & Eddy, 1995).
Olor
Parámetro que es liberado durante la descomposición de materia orgánica en aguas residuales pero que cuando se obtiene de forma reciente es más tolerable que el agua residual séptica ya que contiene sulfuro de hidrógeno y para lograr una caracterización de este parámetro es necesario considerar los factores que se muestran en la tabla 5:
Totales (100%)
Suspendidos (33%)
Sedimentables (73%) No sedimentables
(27%)
Filtrables (77%)
Disueltos (90%)
Coloidales (10%)
Tabla 5
Factores que caracterizan el olor
Factor Descripción
Carácter Asociaciones mentales subjetivas.
Detectabilidad Cantidad de diluciones necesarias para reducir la concentración.
Sensación Aceptación o rechazo por parte de un sujeto.
Intensidad Fuerza de cómo se percibe el olor Fuente:(Metcalf & Eddy, 1995, p. 64)
El método más utilizado para detectar el olor producido en una planta de tratamiento de aguas residuales es el organoléptico, ya que ayuda a estimar la cantidad de diluciones que deben realizarse. También, se encuentran los métodos instrumentales que constan de un olfatómetro triangular dinámico, un disco de butanol y un medidor de aromas (Metcalf & Eddy, 1995).
Temperatura
Este parámetro es afectado por el calor específico del aire dado que es menor en agua potable que en aguas residuales durante la época de verano y que depende de la zona geográfica en la que se encuentra la planta de tratamiento con un valor promedio de 15.6 °C (Orozco, 2005). Afecta en gran medida al metabolismo bacteriano, por lo que su efecto sobre la biomasa es más dominante que el tipo de aireación y cualquier cambio de temperatura puede provocar una inadecuada sedimentación del lodo, alta turbidez del efluente final, entre otros (Skouteris et al., 2020).
Color
Nos permite determinar de manera cualitativa la edad aproximada del agua residual y si se produce de forma reciente se torna de un color grisáceo pero que a medida del recorrido que realiza cambia a gris oscuro y finalmente a negro por la presencia de sulfuros metálicos que se generan bajo condiciones anaerobias (Ramalho, 2003).
pH
Parámetro importante para el desarrollo de la actividad biológica y que si sus valores son inadecuados dificultan la aplicación de tratamientos biológicos en el efluente modificando la concentración de hidrógeno (Orozco, 2005).
El agua se disocia en iones hidroxilo e hidrógeno tal como sigue:
𝐻2𝑂 ↔ 𝐻++ 𝑂𝐻− (1)
Aplicando la ley de acción de masas se tiene:
[ 𝐻+⌈𝐻]+[𝑂𝐻−]
2𝑂⌉ = 𝐾 (2) Debido a que la concentración del agua en un medio acuoso es constante se añade la constante de ionización quedando de la siguiente manera:
[ 𝐻+] + [𝑂𝐻−] = 𝐾𝑤 (3) El pH en un sistema acuoso puede medirse con un instrumento conocido como pH-metro o con papeles de pH.
b) Constituyentes orgánicos
Dentro de los constituyentes orgánicos encontramos a los hidratos de carbono, grasas y aceites, agentes tensoactivos, proteínas y compuestos orgánicos volátiles tal como se explica en la figura 2:
Figura 2.Clasificación de los constituyentes orgánicos del agua residual Fuente:(Orozco, 2005)
Hidratos de carbono:
Incluyen almidones, azúcares o fibras de madera cuyos elementos principales son: carbono, oxígeno e hidrógeno .Algunos son solubles en agua como los
Fracción orgánica del agua residual
No biodegradable
No soluble
Compuestos aromáticos
Soluble
Papel,cartón
Biodegradable
No soluble
Aceites y grasas
Soluble
Azúcares ,alcoholes compuestos que
continen N y P
azúcares porque se descomponen con mayor facilidad y a través de procesos de fermentación dan lugar a la formación de alcohol y dióxido de carbono. En el caso del almidón es insoluble en el agua y pueden formar azúcares a través de descomposición bacteriana y la celulosa se destruye por la actividad de los hongos en medios ácidos (Ferre, 2017).
Grasas y aceites:
Las grasas son compuestos orgánicos estables dificultando la actividad bacteriana provocando que los ácidos minerales intervengan para formar glicerina y ácidos grasos. Los materiales bituminosos constan principalmente de carbono e hidrógeno, una parte de ellos se añade a los fangos por los sólidos sedimentables durante su recorrido en redes de alcantarillado (Ferre, 2017).
Proteínas:
Componente principal del organismo de los animales cuya composición química es compleja e inestable, formados a partir de la combinación de aminoácidos cuyos pesos moleculares son considerables. El exceso de proteínas en el agua residual es una de las principales causas de olores desagradables a raíz de procesos de descomposición (Barber et al., 2015).
Agentes tensoactivos:
En procesos de aireación se sitúan en la superficie de burbujas de aire siendo la espuma más estable. Para determinar si estos elementos se encuentran presentes en el agua residual se analiza el cambio de color de la muestra que se normaliza de azul de metileno (Skouteris et al., 2020).
Compuestos orgánicos volátiles:
Compuestos orgánicos cuyo punto de ebullición es menor a 100 ° C y a presiones de vapor mayores a 1 mm Hg y que cuando se encuentran en estado gaseoso son más movibles representando riesgos para la salud pública posibilitando el aumento de hidrocarburos reactivos en la atmósfera. Por ello, es necesario que se regule y controle su emisión para no afectar la salud de los trabajadores de las plantas de tratamiento de aguas residuales (Cheng et al., 2016).
c) Constituyentes inorgánicos
Dentro de los constituyentes inorgánicos encontramos a los metales pesados, compuestos alcalinos, cloruros, fósforo y azufre como se explica en la figura 3:
Figura 3. Clasificación de los constituyentes inorgánicos de aguas residuales Fuente:(Orozco, 2005)
Metales pesados:
En el caso de tratar aguas residuales con alguno de estos compuestos hace necesario que se sometan a pruebas para medir sus concentraciones y determinar el peligro potencial al que pueden estar expuestos los seres humanos a través de técnicas como la espectroscopía de absorción atómica (Cheng et al., 2016).
Alcalinidad:
Se debe a la presencia de carbonatos, bicarbonatos, hidróxidos que contengan calcio, magnesio, sodio o amoniaco. Contribuyen a evitar cambios bruscos de pH y son obtenidos después de titular las muestras con CaCO3 .Este parámetro es importante si se desea aplicar un tratamiento químico a las aguas residuales o en la eliminación biológica de nutrientes (Ferre, 2017).
Cloruros:
Obtenidos a partir de la descarga de aguas residuales domésticas o industriales principalmente de heces humanas y se encuentran en compuestos que ayudan a disminuir la dureza del agua. Dentro de los procesos de tratamiento de aguas residuales no se contempla eliminar los cloruros de manera significativa siendo
Fracción inorgánica
Soluble
Amonio,sulfatos,fosfatos
No soluble
Arenas,arenillas
indicador de que se acumulan en la fuente receptora de agua (Rojas & Durán, 2006).
Fósforo:
Su presencia favorece el crecimiento de algas y por ello se ha limitado las cantidades excesivas de este elemento en aguas superficiales. Las formas más comunes de encontrarlo son en forma de polifosfatos o fosfatos orgánicos que pueden ser componentes importantes de vertidos industriales y fangos de aguas residuales de tipo doméstico (Asadi et al., 2017).
Azufre:
Es liberado durante la degradación de proteínas y se reducen de sulfatos a sulfuros y sulfuros de hidrógeno (H2S) bajo condiciones anaerobias tal como sigue:
𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝑆𝑂4−2→ 𝑆−2+ 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 (4) 𝑆−2+ 2𝐻+ → 𝐻2𝑆 (5)
En el interior de las redes de alcantarillado se acumulan cantidades considerables de estos compuestos y que al oxidarse se convierten en ácido sulfúrico, denominado efecto corona. Los sulfatos se reducen a sulfuros y pueden afectar al tratamiento biológico si la concentración supera los 200 mg/L.
(Ramalho, 2003)
d) Constituyentes biológicos Microorganismos:
Podemos encontrar organismos eucariotas como algas o protozoos, arqueobacterias y eubacterias. En la tabla 6 se explica de manera detallada como es la clasificación de estos microorganismos:
Tabla 6
Clasificación de microorganismos
Grupo Estructura Caracterización Miembros representativos Eucariotas Eucariota Multicelular
Unicelular
Plantas y animales
Hongos, algas, protozoos
Eubacterias Procariota Química celular parecido a las
eucariotas
Bacterias
Arqueobacterias Procariota Química celular parecido a las
eucariotas
Metanógenos, halófilos y termacidófilos
Fuente:(Orozco, 2005, p. 37)
Los vertebrados e invertebrados se encuentran dentro del grupo de eucariotas multicelulares de igual modo los helechos, musgos o plantas hepáticas.
Bacterias:
Organismos autótrofos o heterótrofos consta de una pared celular que sirve como protección de la membrana celular , constituida por proteínas y fosfolípidos que sirven como una barrera de permeabilidad determinando que moléculas podrán ingresan al interior de la bacteria.(Orozco, 2005)
Figura 4. Clasificación de las bacterias Fuente:(Jairo, 2010)
Desempeñan un papel importante en la estabilización y descomposición de la materia orgánica tanto en el medio ambiente como en una planta de tratamiento de aguas residuales. En el caso de los coliformes representan un riesgo a la salud de las personas por ello se les considera como indicadores de contaminación (Orozco, 2005).
Hongos:
Microorganismos que pertenecen al dominio de los eucariotas multicelulares y heterótrofos en su mayoría son aerobios toleran condiciones de pH bajo y requieren bajas cantidades de nitrógeno. Actúan junto a las bacterias en la degradación y descomposición del carbono en la biosfera reduciendo la cantidad de materia orgánica (Ramalho, 2003).
Clasificación
Cocos Bacilos Bastón curvado Bastón
filamentoso
Algas:
En lagunas de oxidación su presencia es imprescindible ya que ayudan a generar el O2 que requerirán las bacterias para degradar la materia orgánica que generalmente fijan el carbono orgánico del CO2 según la siguiente reacción química:
𝐶𝑂2+ 2𝐻2𝑂 → 𝐶𝐻2+ 𝑂2+ 𝐻2𝑂 (6)
Aquí es donde se genera el O2 molecular encargado de abastecer de oxígeno a la tierra junto a las plantas verdes.
Plantas y animales:
Contemplan desde los gusanos hasta rotíferos microscópicos ya que permiten conocer el estado en el que se encuentran las aguas a tratar y si su nivel de toxicidad es elevado y cuan efectivos podrán ser los tratamientos secundarios que serán aplicados para eliminar componentes orgánicos. Los platelmintos y asquelmintos representan un riesgo para la salud humana.
Organismos patógenos:
Se originan en los desechos humanos que están infectados y llegan a las aguas residuales como bacterias, virus y protozoos siendo los principales causantes de diversas enfermedades como el cólera o la tifoidea.
1.2.1.3. Indicadores de calidad de agua residual a) Oxígeno Disuelto
Los microorganismos dependen de este parámetro pues es indispensable para el desarrollo de sus procesos metabólicos y la obtención de energía. También nos indica el nivel de contaminación del agua residual pues la cantidad de materia orgánica que contiene consume el oxígeno disponible. Se requiere, almenos 5 mg/l para poder sustentar la biodiversidad en el agua aunque hay especies que pueden adaptarse hasta a 3 mg/l y a concentraciones menores de 1 mg/l solo se tendrán zonas anaerobias generando malos olores (Metcalf &
Eddy, 1995).
b) Demanda Bioquímica de Oxígeno
Requerido por los microorganismos como fuente de alimento causando la disminución de oxígeno disuelto. Es requerido para la descomposición de la
materia orgánica bajo condiciones aerobias .Desde 1912 se le considera un método indirecto cuyo símbolo es DBO5 porque se realiza durante 5 días a 20°C.
También se le representa como DBO7 que indica que el proceso se realizará durante 7 días y la DBOu nos indicará que la materia orgánica ya se ha agotado y el proceso durará entre 20 a 30 días. Para realizar el ensayo de DBO se requiere medir la cantidad de oxígeno disuelto antes y después de 5 días y en los laboratorios solo se llega hasta 7 u 8 mg/l haciendo necesario diluir la muestra de agua residual que es introducida dentro de una alícuota en una proporción de 1:50 con agua destilada, sales de potasio, sodio, calcio y magnesio para amortiguar los cambios de pH hasta saturar el oxígeno a las condiciones de laboratorio. En aguas residuales es necesario que a la dilución se le agregue materia orgánica para propiciar la presencia de bacterias tal como se indica en la siguiente ecuación:
𝐷𝐵𝑂
5=
(𝑂𝐷𝑖−𝑂𝐷𝑓)−(𝑂𝐷ℎ𝑖−𝑂𝐷ℎ𝑓)(𝑉𝑚 𝑉𝑏)
𝐷
(7)
El agua con dilución será la muestra en blanco a la cual se le mide el DBO inicial, luego se colocan a 20 °C dentro de una incubadora en ausencia de luz.
c) Demanda Química de Oxígeno
Es un método que permite estimar la cantidad de materia orgánica de manera indirecta a través del uso de una agente oxidante en un medio ácido como el dicromato de potasio y en presencia de un catalizador como el sulfato de plata a altas temperaturas. Generalmente su valor es mayor que la DBO y su relación con la DQO indica la cantidad de materia orgánica no biodegradable que puede ser estimada estequiométricamente (Ramalho, 2003).
d) Sólidos
La materia orgánica se encuentra en forma de partículas suspendidas concidas como sólidos suspendidos, sólidos disueltos, sólidos volátiles de naturaleza orgánica .Por el método gravimétrico se pueden estimar la cantidad de sólidos presentes en una muestra de agua después de filtrarla y secarla a 150 °C por diferencia de pesos en mg/L . En el caso de los sólidos volátiles se determinan luego de evaporarlos a 550 °C en una muffla y la parte inorgánica necesita de temperaturas más altas para evaporarse (Orozco, 2005, p. 20).
Figura 5. Clasificación de los sólidos en aguas residuales Fuente :(Orozco, 2005, p. 20)
Es importante considerar los sólidos sedimentables que son colocados en un Cono de Imhoff y dan idea de la cantidad de lodos que contiene el agua residual.
e) Carbono orgánico total
Método que permite estimar la cantidad de materia orgánica en el interior de un horno en un medio oxidante donde el carbono orgánico se transforma a CO2 y para reducir los errores se requiere de la presencia de oxígeno salvo que haya presencia de compuestos orgánicos volátiles ya que no pueden oxidarse (Orozco, 2005, p. 20).
1.2.1.4. Aguas residuales sintéticas
Como se ha visto anteriormente, las aguas residuales de tipo doméstico tienen ciertas propiedades de tipo físico, químico o biológico con la presencia de diversos contaminantes y nutrientes. A partir de estas consideraciones las aguas residuales sintéticas pueden elaborarse empleando agua destilada cuyo tiempo de conservación máximo es de una semana a 1 °C, debido a que el traslado de una fuente natural hacia el laboratorio se complica y algunas propiedades previamente descritas pueden verse afectadas (Lozano & Rodríguez, 2012).
Sólidos totales
Sólidos suspendidos
Sólidos suspendidos
inorgánicos Sólidos suspendidos
volátiles
Sólidos disueltos
Sólidos disueltos inorgánicos Sólidos disueltos
volátiles Sólidos inorgánicos
totales Sólidos volátiles
totales
Diversos autores han establecido las composiciones típicas de estas aguas, se indican en la tabla 7:
Tabla 7
Composición del sustrato sintético propuesto por la Universidad de Valencia Componente Cantidad(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
Fuente:(Flores, 2016, p. 42)
También, se cuenta con la composición propuesta en la norma alemana DIN 38412 para preparar la muestra de agua residual sintética, señalada en la tabla 8:
Tabla 8
Composición de sustrato sintético descrito en la norma alemana DIN 38412 Componente Cantidad(mg/l)
Peptona 160
Extracto de carne 110
Úrea 30
KH2PO4 28
MgSO4-7H2O 2
CaCl2-H2O 4
NaCl 7
Fuente: (Lozano & Rodríguez, 2012, p. 12)
Por último, la composición de aguas residuales sintéticas propuestas por Metcalf
& Eddy descrita a continuación:
Tabla 9
Composición de Aguas Residuales sintéticas
Componente Cantidad (mg/l)
Peptona 250
Sacarosa 60
Almidón 140
Lípidos (Aceite de soya) 50
Sulfato de amonio [(𝐍𝐇𝟒)𝟐𝐒𝐎𝟒] 30 Fosfato de sodio tribásico
[𝐍𝐚𝐏𝐎𝟒. 𝟏𝟐𝐇𝟐𝐎]
6 Fuente: (Salgado et al., 2011, p. 20)
1.2.1.5. Oxigenación de aguas residuales
Proceso mediante el cual se puede observar como es el comportamiento cinético del oxígeno entre un líquido y un gas (Rondal, 2018).
Figura 6. Transferencia de oxígeno en una burbuja de gas Fuente: (García, 2010, p. 21)
El proceso de transferencia de oxígeno ocurre en tres etapas, en la primera las moléculas de gas se transfieren hacia la superficie; en la segunda, el oxígeno pasa a través de las películas que se forman por difusión molecular y en la tercera el oxígeno se dispersa mediante difusión (Yánez, 2000).
a) Capacidad de Oxigenación
Es la velocidad a la que el sistema de aireación transfiere oxígeno a la solución en agua limpia (Ramalho, 2003). Para ciertas condiciones de presión y temperatura obtenemos la siguiente ecuación:
𝑆𝑂𝑅𝑇 = 𝑘𝐿𝑎(𝑇)𝑓(20−𝑇)𝐶∗(20)𝑉 (8)
La determinación de la capacidad de oxigenación de un sistema de aireación requiere la medición del coeficiente total de transferencia de oxígeno KLa (Casey, 2013). Para ello se tiene la siguiente ecuación:
2 3
4
5
6 7
8 9
Interfase Gas-líquido Burbuja
de gas
Fase líquida
Interfase líquido-flóculo
Membrana celular
Célula Reacción
bioquímica Flóculo
biológico Zona de
estancamiento Zona de
estancamiento
1
𝑪𝑳 = 𝑪𝑺− (𝑪𝑺− 𝑪𝑶). 𝒆−𝑲𝑳.𝒂.(𝒕𝟐−𝒕𝟏) (9) Luego podemos estimar el valor de la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo cuando se somete a aireación, permitiendo encontrar el valor del coeficiente global de transferencia de oxígeno a partir de la ecuación 10 tal como sigue:
𝒍𝒏(𝑪𝑺− 𝑪𝑳) = 𝒍𝒏(𝑪𝑺− 𝑪𝟎)− 𝑲𝑳𝒂 ∗ (𝒕𝟐− 𝒕𝟏) (10) b) Teoría de la doble película de Lewis y Whitman
Consta de una película de gas muy fina y otra de líquido durante la interfase en estado continuo bajo estas condiciones la transferencia de masa en el agua se presenta en la ecuación 11:
𝑁 = 𝑘𝐿𝐴(𝐶𝑠 − 𝐶𝐿) (11) En esta ecuación no se considera la variación del oxígeno en el agua pese a que en la aplicación real si existen cambios ya que no se trataría de un sistema continuo (Yánez, 2000).
La temperatura influye en el proceso de aireación porque cuanto más se incrementa, el oxígeno es menos soluble por lo tanto la tasa de transferencia de oxígeno disminuye (Rondal, 2018).
Figura 7. Transferencia de masa en la interfase Fuente:(Orozco, 2005, p. 167)
En la figura 7 se explica lo que ocurre con la presión cuando se trabaja con un sistema continuo y la interfase del líquido y del gas es instantánea.
Interfase
Líquido Capa efectiva de
gas
Gas
Capa efectiva de líquido 𝑃𝑖 = 𝐾𝐻𝐶𝑖
𝐶𝑖 𝑎𝑏 = 𝐾𝐻𝐶
𝐶𝑏 = 𝑝∧ 𝐾𝐻
c) Obtención del coeficiente KLa
Este valor se ve afectado por parámetros como salinidad, temperatura, el sistema de aireación empleado o ciertas condiciones de operación, tal como se describe en la ecuación 12:
𝐾𝐿𝑎(𝑇) = 𝐾𝐿𝑎(20°𝐶)(1.028)(𝑇−20) (12)
Así mismo, existe una relación que involucra un factor α cuando se requiere trabajar con aguas residuales y no con agua cruda tal como se expresa en la ecuación 13:
𝐾𝐿𝑎(𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑟𝑢𝑑𝑎) = 𝛼𝐾𝐿𝑎(𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙) (13)
Existen dos maneras de obtener el valor de KLa empleando los siguientes métodos:
Figura 8. Métodos de determinación de KLa Fuente:(Yánez, 2000, p. 27)
KLa en ensayos no estables:
El tanque aireador se encuentra sin oxígeno para ello tuvo que agregarse 8 mg/l de sulfito de sodio o 5 mg/l de cloruro de cobalto hasta lograr la concentración de saturación de oxígeno disuelto (Casey, 2009). La velocidad de transferencia de oxígeno durante un proceso de aireación está representada por la expresión:
𝒅𝒄
𝒅𝒕= 𝑲𝑳𝒂(𝑪∗− 𝑪) (14) Despejando se tiene:
Equilibrio continuo
Equilibrio hidráulico contínuo
Ausencia de cambios significativos en la
biomasa
Equilibrio discontinuo
Uniformes:carga,com posición de sustrato y
oxígeno disuelto durante la prueba
𝑑𝑐
(𝐶∗−𝐶)= 𝐾𝐿𝑎(𝑑𝑡) (15)
Integrando la ecuación 15 en el tiempo cero y una concentración Ct después de un intervalo de aireación de t:
∫ 𝑪𝒅𝒄
∗−𝑪𝑳 𝑪𝒊
𝑪𝟏 = ∫ 𝒌𝟎𝒕 𝑳𝒂(𝒅𝒕) (16)
Luego despejamos en función al coeficiente global de transferencia de masa y obtenemos:
𝐥𝐧 [𝑪∗−𝑪𝒊
𝑪∗−𝑪𝒕] = 𝑲𝑳𝒂. 𝒕 (17) En la siguiente tabla, se presentan los métodos dinámicos no estables para la determinación del coeficiente global de transferencia de masa:
Tabla 10
Métodos dinámicos para determinar KLa
MÉTODO CONDICIONES Y OBSERVACIONES
Gaseado en el líquido Emplea Nitrógeno (𝑁2) para desoxigenar el sistema registrándose el oxígeno disuelto en el líquido en función al tiempo.
Gaseado en el gas Emplea un gas inerte para desoxigenar pero el oxígeno disuelto se mide en la corriente gaseosa de salida y que el caudal del líquido y gas son constantes.
Dinámico Ayuda a determinar la disminución de la concentración de oxígeno disuelto en el tiempo. Al inicio del procedimiento se considera la concentración de oxígeno como concentración crítica.
Fuente: (García, 2010, p. 33) KLa en ensayos estables:
Se da en forma continua y ya no se necesita de algún factor de corrección tal como se presenta en la ecuación 15:
𝑑𝐶
𝑑𝑇=𝐾𝐿𝛼(𝐶𝑠− 𝐶) −𝑑𝑂2
𝑑𝑡 (18) Como el oxígeno disuelto se mantiene constante se tiene la ecuación 18:
