Biotratamiento TODO

5/13/2018 Biotratamiento TODO - slidepdf.com

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Ing Trajano Ramírez

Biotratamiento

INTRODUCCIÓN

Existen varios métodos, tanto biológicos y no biológicos para recuperarlas aguas contaminadas con la eliminación de los contaminantes.

El tratamiento no biológico incluye métodos fisicoquímicos, tales como:

tratamiento de sólidos gruesos, sedimentación gravitacional, vertederos,

incineración, arrastre por aire, flotación, coagulación, etc.

Los tratamientos biológicos aprovechan la capacidad de los

microorganismos para eliminar los contaminantes de aguas domesticas

o industriales.

Existen diversas operaciones en relación a si los microorganismos son

capaces de degradar cualquier compuesto que el hombre pueda

predecir o si tienen limites. Indudablemente, el valor se tiene ente estos

dos límites extremos. En general, los microorganismos pueden degradar

gran cantidad de compuestos, bajo condiciones determinadas y

distintas. A su vez, muchos compuestos químicos pueden también

modificarse o transformarse mediante el uso de una bacteria, hongo o

de algún tipo de población microbiana trabajando en asociación. Estos

procesos varían desde la putrefacción del material orgánico hasta la

limpieza de derrames de petróleo.

El tratamiento biológico es importante para eliminar componentes

xenobioticos (sintéticos). Muchos productos químicos xenobioticos son

resistentes al ataque microbiano y/o son tóxicos para los

microorganismos. Sin embargo, en zonas contaminadas con diversos

compuestos xenobioticos se han usado algunos microorganismos quepueden degradar los compuestos xenobióticos con diversa facilidad y

velocidad. Esto se ha demostrado en suelos contaminados con

compuestos bifenilos poli clorados (PCBs). Las moléculas que se han

podido biodegradar a mas de los comúnmente biodegradables son:

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cloruro de etileno, PCBs, gasolina y derivados del petróleo, compuestos

con 2 y 3 grupos nitro, incluyendo herbicidas nitrogenados y

trinitrotolueno, hidrocarburos poli clorados, incluyendo penta clorofenol,

tricloroetileno, tetracloroetano, dicloro-etano, cloruro de vinilo, tetracloro

etano, creosot, fluoranteno, etc.

Son varios los organismos capaces de llevar a cabo el proceso de

degradación. Uno de los microorganismos mas estudiados ha sido la

Pseudomonas G4. Esta bacteria es eficaz en la degradación del TCE

(tricloroetileno) y tolueno. Se encuentran otras cpas de la Pseudomona

(Pseudomona cepa CB400) que ha sido aislada y presenta actividad

frente a los PCBs. También se ha demostrado que el Azotobacter Sp.

Degrada los herbicidas dinitrofenoles.

Aunque se ha podido encontrar organismos únicos que son capaces de

degradar compuestos sencillos o grupos de compuestos, normalmente

es necesario una asociación de bacterias para llevar a cabo la

degradación de residuos mezclados.

Las bacterias requieren muchas veces, el aumento de algún nutrientes

para lograr la degradación relativamente rápida y completa de los

residuos poligrasos introducidos. Los organismos en condicionesnaturales generalmente presentan carencia de fosforo, nitrógeno y

azufre. La adición de estos compuestos estimula el crecimiento de la

población natural y quizás aun mas importante, mejora su metabolismo,

facilitando el transporte por las membranas celulares. Puesto que la

mayoría de las degradaciones del material toxico se produce mediante

el metabolismo a veces puede ser necesario añadir una fuente de

carbono.Las bacterias son los más importantes grupos de microorganismos y

son de esencial importancia para el ciclo del ecosistema. Muchas

bacterias son importantes para los procesos de tratamiento de aguas

servidas, para la auto purificación natural de lagos de ríos, aguas

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subterráneas, etc, para la purificación o descomposición de materiales

en suelos, en rellenos con desechos sólidos, compostaje, etc.

Las algas son grupos de microorganismos de la fotosíntesis del plancton.

Pueden causar problemas en el agua impartiendo mal olor y

taponamiento de filtros. Por otro lado son importantes en la oxidación

por la introducción de oxígeno para tratamiento de aguas de bajo costo,

pero en exceso de nutrientes en agua produce el crecimiento excesivo

de algas, que cuando se descomponen remueven el oxígeno disuelto de

los lagos.

El proceso de nutrientes enriquece el llamado autroficación

(enriquecimiento de nutrientes).

Los hongos sin unicelulares que pueden sobrevivir bajo condiciones de

pH bajo y generalmente están presentes en tratamientos biológicos de

algunas aguas industriales y en el composte de desechos de sólidos

orgánicos.

Los Protozoos son generalmente de mayor tamaño que las bacterias y

están presentes en procesos de tratamientos de aguas. Asi la ameba,

Entameba, parásitos protozoos, etc.

Las bacterias y hongos constituyen la mayor cantidad demicroorganismos en el suelo y en el agua.

El crecimiento microbiológico depende de los siguientes factores:

• Suficiente cantidad de nutrientes

• Disponibilidad de un cierto contenido de H2O y para bacterias,

aeróbicas la presencia de O2.

• Temperatura y pH apropiado

Las aguas subterráneas son generalmente libres de microorganismosdebido a la acción filtrante de la tierra que elimina gran parte de los

nutrientes, dando una concentración de bajos niveles de nutrientes en

las aguas subterráneas, por la baja temperatura y la falta de luz solar.

Sin embargo, en algunas áreas rocosas, especialmente en la formación

de limostona, puede haber grandes fallas subterráneas y el agua

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superficial alcanza estos lugares por medio de fallas o túneles que

causan contaminación el agua subterránea.

El agua superficial puede cagar muchos desechos peligrosos durante su

viaje sobre tierras agrícolas y áreas industriales y su caso de aguas

lluvias puede remover los contaminantes presentes en el aire. Además

el material orgánico; los nitratos, fosfatos y otros nutrientes , desechos

humanos y otros con su propia población microbiológica asociada tienen

acceso el agua superficial. La alta contaminación del agua hace que la

cantidad de oxígeno disminuya, disminuyendo por tanto el crecimiento

de bacterias aeróbicas y protozoos, que pueden destruir la materia

orgánica si producir malos olores y aumentando el crecimiento de

bacterias anaeróbicos que contaminan el olor del agua.

La cantidad y tipo de microorganismos presentes dan una indicación de

la calidad del agua. En aguas claras o en aguas con poco contenido de

nutrientes, el número de microorganismos es limitado, pero una gran

cantidad de especies pueden existir. A medida que el contenido de

nutrientes aumenta, el número de microorganismos aumenta, mientras

el número de especies es reducido. En una corriente de población

anaeróbica, unas pocas especies de bacterias anaeróbicas o facultativaspredominaran.

En aguas claras naturales, la cantidad de bacterias totales puede estar

alrededor de 103 UFC/100ml y las bacterias de coliformes debe ser de 0-

102 NMP/100ml. En aguas contaminadas, la población de bacterias

totales asciende a 106-108 UFC/100ml y los coliformes totales, entre los

cuales puede haber coliformes fecales, de 103-105 NMP/100ml. En agua

potable se acepta hasta 30 UFC/ml en bacterias totales y en coliformesfecales tiene que ser cero.

Los microorganismos pueden interaccionar entre si, ya sea en forma

asociativa o en forma competitiva. Esta interacción ocurre

frecuentemente en el medio ambiente y se necesita tener esta

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redacción en el diseño biológico del sistema de tratamiento de aguas

contaminadas, así:

1. ALGA-BACTERIA. Una relación estrecha entre la alga (que necesita

CO2 y produce O2) y las bacterias aeróbicas (que necesitan O2 y

producen CO2) que se desarrolla en estanques de oxigenación, lagos,

lagunas, manglares, etc.

2. PROTOZOOS-BACTERIA. En el tratamiento de aguas de desecho

nuevas principales por el proceso de lodos activados. Las bacterias

son agentes primarios en la conversión de desechos orgánicos para

estabilizar los lodos (productos finales estables). Al mismo tiempo,

consume protozoos y limita la población bacterial en una relación

apropiada de predador-presa, manteniendo un balance dinámico en

la población microbiológica.

3. BACTERIA-BACTERIA. La digestión anaeróbica de materia orgánica

demuestra la interdependencia de dos grupos de bacterias: la

bacteria que forma ácidos la cual convierte la materia orgánica a

ácido acético en otros ácidos grasos y las bacterias que producen

metano, los cuales usan los ácidos para producir el metano.

MICROORGANISMOS INDIVIDUALES DE LA CONTAMINACION DEL AGUAEl agua utilizada para tomar puede servir de medio de transporte para

la transmisión de una variedad de microorganismos patógenos que

causan enfermedades en el humano. La determinación de

microorganismos patógenos en el agua no es fácil, no económica y no

práctica en forma rutinaria dentro de los análisis.

Sin embargo, la contaminación del agua es detectada por la presencia

de coliformes fecales, que son microorganismos no patógenos quehabitan en los intestinos en gran número y están siempre presente en

las heces fecales conjuntamente con los patógenos. Por tanto estos

microorganismos pueden ser usados como indicador de la

contaminación fecal.

Las características que debe tener un microorganismo indicador son:

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• Su ausencia implica la ausencia de patógenos

• La densidad del microorganismo indicador es relacionado a la

probabilidad de la presencia del microorganismo patógeno.

• En el medio ambiente del microorganismo indicador, tendrá que

tener una vida mucho más grande que la vida del patógeno.

Obviamente no existen microorganismo ideal como indicador, pero se

puede escoger a los coliformes fecales, Estreptococos fecal y Clostridium

perfringens como evidencia de la contaminación fecal y son usados para

analizar el agua.

CLASIFICACION DE LOS TRATAMIENTOS BIOLOGICOS

La mayor parte de los constituyentes orgánicos en aguas servidas

pueden servir de alimento, para dar energía al crecimiento de

microorganismos constituyendo esto, el principal uso en el tratamiento

biológico de las aguas servidas, donde el substrato orgánico es

convertido por los microorganismos a CO2, H2O, metano, etc y mas

nuevas células.

Los microorganismos se pueden clasificar en:

• Microorganismos aeróbicos que requieren O2 para su crecimiento.

• Microorganismos anaeróbicos que no requieren oxígeno para sucrecimiento.

• Microorganismos facultativos, que requieren y no requieren del

oxígeno para su crecimiento.

Esta clasificación de microorganismos da origen a la clasificación de los

procesos biológicos de tratamiento de aguas servidas, de la siguiente

manera:

•

Proceso de tratamiento aeróbico• Proceso de tratamiento anaeróbico.

Algunos autores se identifican el proceso anóxico como al proceso en el

cual el microorganismo coge el oxígeno de los alrededores (ejemplo de

la desmitificación del NO3-), más que proceso aeróbico.

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PoblaciónMicrobiológica

Rango de operación normal enprocesos de tratamientobiológico

Tiempo


La población microbiológica puede ser mantenido, durante el proceso de

tratamiento biológico, en el líquido como un crecimiento suspendido

referido a una mezcla de los microorganismos fijo o volátil y puede estar

adherido a algún medio en un proceso de material de espesor delgado

fijo, llamado proceso de “film-fijo” o proceso de lecho delgado fijo.

La velocidad de crecimiento microbiológico varía directamente con la

cantidad de substrato disponible. En un primer periodo de crecimiento

del microorganismo cuando existe suficiente alimento (materia

orgánica), el microorganismo se adapta para luego crecer rápidamente

en forma logarítmica. Cuando el alimento decrece, el crecimiento

disminuye hasta que en un punto el crecimiento desaparece y en el

número de nuevas células producidas es balanceada por el número de

células viejas muertas. Cuando el substrato es agotado, el número de

microorganismos disminuye como células viejas. Por tanto en el

crecimiento de microorganismos existe 4 fases: (figura 1.)

• Fase de adaptación (A)

• Fase de crecimiento logarítmico (B)

• Fase de declinación en crecimiento (C)

• Fase de auto oxidación o fase endogenoso (D)

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A B C D

Figura 1. Crecimiento de los microorganismos

La utilización en el tiempo de crecimiento logarítmico es impráctico en el

sistema de tratamiento de aguas contaminadas, puesto que la remoción

del substrato (materia orgánica) es incompleta.

Los microorganismos intercambian información en cualquier área. Esto

se llama transferencia genética.

La materia orgánica a ser destruida, precedentes en los lodos o como

materia orgánica soluble debe ser en lo posible biodegradable. Sin

embargo muchos contaminantes no son biodegradables y no pueden ser

descompuestos por los tratamientos biológicos. La parte organica no

biodegradable trae serias complicaciones y requiere microorganismos

específicos como se indico al inicio de arte estudio.Actualmente los métodos biológicos se emplean en un 15-20% de los

casos. Comparando con otros procesos, el biotratamiento requiere

menos energía y es el único método que puede lograr la mineralización

de los materiales residuales en productos inocuos. Sin embargo el

biotratamiento requiere más tiempo.

REACCIONES EN EL TRATAMIENTO AEROBICO

En el tratamiento aeróbico el oxígeno está presente y las bacteriasheterotróficas que toman el carbono de la materia orgánica oxidan

alrededor de 1/3 de la materia orgánica disuelta y coloidal para

estabilizar el producto final y lo restante (2/3 partes). Se convierte en

nuevas células de microorganismos que pueden ser removidos del

tratamiento de aguas contaminadas por sedimentación.

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La reacción biológica procede secuencialmente con oxidación del

material carbona ceo como primera etapa:

Materia Orgánica + O2 bacteria CO2 + H2O + nuevas

células

Heterotrófica

Productos

Bajo las condiciones aeróbicas, las bacterias autotróficas (aquel que

obtiene carbono de compuesto inorgánico) convierten el nitrógeno

orgánico a nitratos de acuerdo a la siguiente reacción:

a) Nitrógeno orgánico bacteria NH3

(descompoción), y

Autotrófica

b) NH3 + O2 bacteria NO2-

NO3- (nitrificación )

Nitrificante

Ningún cambio más puede producirse a partir de los nitratos, a menos

que se inicie el proceso anóxico, bajo estas condiciones, la bacteria

heterotrófica convierte los métodos a gas nitrógeno (sin olor), así:NO3- bacteria NO2- N2

(desnitrificación )

desnitrificante

Además, bajo condiciones anóxicas, cualquier sulfato presente es

reducido a H2S gas, de acuerdo a la reacción:

SO4

2-

bacteria H2S (gas)De reducción de sulfatos

Existen bacterias que paran al Fe+3 Fe+2, pero existen muy poco en el

agua.

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En cada caso de la descomposición de la materia orgánica e inorgánica

(NO3-, NO2

-, SO42) durante el proceso aeróbico, una cantidad de

nutrientes debe estar presente en el agua o debe ser añadido. Las aguas

domesticas tienen sufriente nutrientes. Las aguas contaminadas

industriales con pulpa y papel, industrias de procesamiento de carne,

etc. necesita la adición de compuestos de Nitrógeno y fosforo (sales de

fosfato y amonio) para que el proceso biológico ocurra.

El tratamiento aeróbico ha predominado en el tratamiento de aguas

contaminadas por la mayor cantidad de industrias y Municipios antes

que el proceso anaeróbico, debido a su simplicidad, estabilidad,

eficiencia y conversión rápida de los contaminantes orgánicos a células

microbiológicas y relativamente la operación es sin olor.

En aspectos muy generales cuando se trata 1 Kg de materia orgánica,

específicamente polisacáridos, se tiene:

1 Kg materia orgánica ≈ 1 Kg DQO, y

1 Kg DQO necesita 2 Kg O2 para oxida a CO2 y H2O minerales que

básicamente son compuestos de N y P y otros.

Estos minerales producen un 0.4 Kg de lodos secos. La eficiencia es

aproximadamente 60%En Alaska, después del derrame del EXXON Valdez, se degradaran 3785

litros de hidrocarburos con 4536 Kg de O2 y 397 Kg de NH3 como

nutriente. Esto daría como resultado 3175 Kg de bacterias. Esto se

demostró en Alaska.

PARÁMETROS PARA MEJORAS LA BIORECUPERACIÓN

MICROBIANA EN EL PROCESO AERÓBICO

En el proceso aeróbico, las condiciones del agua deben ser lasapropiadas para que los microorganismos se desarrollen y destruyan la

contaminación orgánica principalmente y permita obtener células

nuevas que puedan ser recirculadas al tratamiento anaeróbico.

Entre los parámetros más importantes se encuentran:

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1. LA BIOESTIMULACIÓN que consiste en una modificación

ambiental capaz de suprimir algún factor limitante que este

restringiendo la velocidad de crecimiento microbiano y el

metabolismo de la substancia contaminante. Para que esto

funcione, el contaminante no debe ser recalcitrante, es decir, los

microorganismos deben tener la capacidad genética y fisiológica

suficiente como para degradar el contaminante.

Los factores que generalmente se controlan para estimular las

actividades biodegradables son:

a. La concentración de nutrientes.

El nitrógeno, fosforo y otros minerales son necesarios para el

crecimiento de microorganismos aeróbicos o para su incorporación en la

biomasa.

En general las concentraciones de nitrógeno y fosforo disponibles, a

menudo, limitan la degradación microbiana. Así se ha demostrado que

las concentraciones de Nitrógeno y Fosforo en el agua del mar limitan la

velocidad de degradación de hidrocarburos después de os derrames de

petróleo. Por lo general la demanda de Nitrógeno es de 4 moles de

Nitrógeno por gramo de petróleo.El nitrógeno y fosforo son añadidos en forma de NO3

-, fosfatos, fosfatos

de Amonio, etc. la adición de fosfatos permite provocar la precipitación y

por tanto hay que contraer este efecto. Como el nitrógeno y fosforo son

parte de los compuestos fertilizantes, en algunos casos se utiliza la

palabra Fertilización, así cuando se quiere poner nutrientes al modo

contaminado, se habla de fertilización del suelo.

Además de nitrógeno y fosforo, puede necesitar Calcio, Fe

3+

y magnesiopara incrementar el crecimiento de los microorganismos aeróbicos. En

forma general la relación entre DQO , N y P en los procesos aeróbicos es:

DQO/N/P

100/5/0.5

b. Concentración de oxígeno molecular y potencial redox

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El crecimiento de microorganismos y el desarrollo de mas actividades

metabólicas especificas depende de la disponibilidad de oxígeno

molecular y del potencial redox. La solubilidad del oxígeno en el agua

puede ser baja por la contaminación existente. Recordemos que en

Quito, la saturación de Oxígeno en Agua es aproximadamente 7 mg O2/l.

la degradación microbiana de los hidrocarburos petrolíferos en algunas

aguas subterráneas y suelos esta severamente limitado por la

disponibilidad de oxígeno. La oxidación de 1 litro de hidrocarburo con el

oxígeno disuelto de 385500-400000 litros agua satura el oxígeno.

Las limitaciones de oxígeno se puede recuperar suministrando oxígeno

“in situ” a los microorganismos o mediante la colocación de materiales

contaminantes en un BIOREACTOR AERÓBICO.

En el suelo superficial, se puede conseguir la oxidación mediante un

drenaje adecuado, las partes con concentraciones de residuos orgánicos

en descomposición crean una demanda de oxígeno muy alta en los

suelos y la velocidad de difusión suele ser inadecuada para satisfacerla,

incluso en suelos bien drenados de textura ligera.

Las fosas y lagunas de oxidación son sistemas de tratamiento de bajo

costo que se utiliza frecuentemente para la evacuación de contaminantesujeto a retención, pero requieren una gran capacidad de

almacenamiento y logran tiempos de retención como la oxigenación que

consigue mediante la difusión y la actividad fotosintética de las algas,

necesita tener poca profundidad.

El aire puede ser introducido en forma forzada (aireación forzada) tanto

en los bioreactores, como a lagunas de aireación, estanques de

aireación, etc., utilizando tubos, distribuidores, deflectores de aireforzado o cualquier otro sistema para tener una buena aireación.

Un tipo avanzado del sistema de tratamiento para residuos líquidos con

aire forzado y empleando frecuentemente, en el proceso de tratamiento

de fangos activados. El residuo líquido, que contiene compuestos

orgánicos disueltos, se introduce en el depósito de aireación. Aquí lla

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actividad microbiana se mantiene a niveles muy altos mediante la

recirculación de la mayor parte de los fangos activados sedimentados.

c. Niveles de humedad

Esto es el caso de desechos sólidos, donde el proceso aeróbico se puede

utilizar.

1. INOCULACION MICROBIANA (SEEDING)

La inoculación microbiana consiste en añadir microorganismos al

sistema de tratamiento aeróbico, preferentemente aquella que ya se

han adaptado a los contaminantes del agua a ser tratada.

2. pH

El pH del agua en la mayor parte de los casos debe estar entre 6.5 – 8.5.

Por lo general, la acción microbiológica disminuye el pH. Así en una

mezcla de agua mas Glucosa se tiene:

Agua + Glucosa pH=7 a t=0

Acción microbiana

Ácidos pH=4 a t=6h

Adicionalmente, el proceso puede ser mantenido a un pH constante, por

medio de substancias estabilizadoras del pH (capacidad buffer). Se

puede usar bicarbonatos (HCO3-

) que con la combinación del CO2 que sedesprende de la reacción biológica en el proceso aeróbico forma una

solución buffer. En el efluente se puede medir la alcalinidad y entonces

se puede tener el pH del efluente.

3. TEMPERATURA

La temperatura optima esta entre 16-22°C. El tratamiento se realiza a la

temperatura del influente. Si se aumenta la temperatura, la cantidad de

O2 disuelto disminuirá.En todo caso, la tasa de conversión en el proceso aeróbico esta entre

0.5-1.0 kg DQO/m3 día que es 10 veces aproximadamente menor que la

tasa de conversión en el proceso anaeróbico.

4. INHIBIDORES

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Muchos compuestos químicos pueden inhibir el crecimiento de

microorganismos en el proceso aeróbico, es decir pueden ser

contaminantes tóxicos para los microorganismos. Los metales pesados

Cr6+, Hg+ y Hg2+ son substancias toxicas para los microorganismos.

REACCIONES EN EL TRATAMIENTO ANAEROBICO

En el proceso biológico anaeróbico no se necesita la presencia de

oxígeno y dos grupos de bacterias heterotróficas intervienen en el

proceso anaeróbico, convirtiendo sobre el 90% de la materia orgánica

presente.

Las bacterias principales que intervienen en el proceso anaeróbico son

las bacterias de formación de ácidos que inicialmente produce la

hidrolisis y fermentación, produciendo compuestos intermedios como

ácidos orgánicos (ácido acético en su mayor parte) y alcoholes (C2H5OH

principalmente). Estas bacterias son acido génicas y son hidrófilas. La

reacción biológica de esta primera clase de bacterias anaeróbicas es:

Primera etapa

Materia orgánica bacterias Compuestos intermedios +

CO2 + H2S + H2O

De formación de ácidos y alcohol (ácidos + alcoholes)

El otro tipo de bacterias anaeróbica que actúan en una segunda etapa

son las bacterias productoras de metano (MPB), cuya reacción bilógica

es:

Segunda etapa

Ácidos orgánicos bacterias CH4 + CO2 + nuevascélulas

De formación de CH4

Los dos tipos se producen en el reactor anaeróbico usando

especialmente para el tratamiento de lodos en forma anaeróbica por un

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lapso aproximado de 35 días a 35°C y se reduce el volumen de los lodos

en un 30% y su putrefacción, obteniéndose la estabilidad de los lodos y

por tanto se simplifica su almacenamiento y transporte a su destino final

(puede ser a tierra agrícola).

Las dos ventajas más relevantes del proceso anaeróbico sobre el

proceso aeróbico son:

– La producción de energía en forma de metano.

– La producción del lodo es solamente alrededor del 10% del

proceso aeróbico por convertir la misma cantidad de materia

orgánica.

Esto es una ventaja en el tratamiento de desechos de alta resistencia,

donde la manipulación de volúmenes grandes puede ser un problema.

PARAMETROS PARA MEJORAR LA BIORECUPERACION MICROBIANA CON

EL PROCESO ANAEROBICO.

En el proceso anaeróbico, los lodos deben poseer la composición

química adecuada y las condiciones físicas para tener el crecimiento delos microorganismos anaeróbicos y la formación de nuevas células.

Los parámetros para mejorar la biorecuperacion microbiana en el

proceso anaeróbico son:

1. BIOESTIMULACION

Su concepto se dio anteriormente, son factores que se toman en cuenta

en la bioestimulacion de microorganismos anaeróbicos son:

a. Concentración de nutrientesDe igual manera que en la bioestimulacion de procesos aeróbicos, el

nitrógeno y fosforo y otros minerales son necesarios para el crecimiento

de microorganismos anaerobicos.

La relación de los nutrientes en el proceso anaeróbico, por lo general,

está dado por:

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DQO / N /P

100/1.25 /0.25

Por otra parte, las bacterias anaeróbicas necesitan trazas de Ni y Co (Ni

y Co existe en la levadura).

En la práctica muy pocas veces se añade nutrientes y raras veces Ni y

Co.

b. Niveles de Humedad

Esto es el caso de desechos solidos, donde el proceso anaeróbico es

escogido.

1. INOCULACIÓN MICROBIANA (SEEDING)

De igual manera que en el proceso aerobico, es el proceso anaeróbico,

se utilizan los lodos activados de otros procesos, o se reciclan con el fin

de incrementar la eficiencia del proceso.

2. pH

El pH esta entre 6.5 a 8.7 del influente. La inmersión del microorganismo

disminuye el pH en:

Agua + Proteinas pH=7 a t=0

Acción microbianaÁcidos+NH4

+ pH<5

Adicionalmente, el proceso puede ser llevado a cabo a pH constante

para lo cual se usa compuestos para obtener una solución tampón del

influente. Generalmente se hace HCO3- y la misma producción de CO2

que se esta generando en el proceso anaeróbico. Asi el pH con 0.1 M

HCO3-y 50% de CO2 dentro del reactor anaeróbico, se tiene un pH≈10.3

(muy alto) .El pH real del influente se determina mediante la alcalinidad.

El pH en el reactor anaeróbico esta por lo general entre 6.6 y 7.6 y la

concentración máxima de CO2 es 40%.

3. TEMPERATURA

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La temperatura optima está entre 30 y 40°C, en este rango de

temperaturas la mayor cantidad de bacterias participa en la reacción.

Sin embargo puede funcionar entre 15 y 75°C.

La tasa de conversión está entre 5 y 10 Kg de DQO/m3 día.

Por cada 10 grados que se aumente en la temperatura del reactor

anaeróbico, la tasa de conversión se debe multiplicar por el factor 2.5 o

dividir para 2.5, si se aumenta o disminuye, respectivamente, asi:

Tasa de conversión a 30°C 10 Kg/m3 día

÷ 2.5

Tasa de conversión a 20°C 4 Kg /m 3 día

Por estas consideraciones, es que se debe mantener la temperatura del

reactor anaeróbico por lo general más que 25°C.

4. INHIBIDORES

Los metales pesados Cr6+, Hg+ y Hg2+ , S-2 son un poco tóxicos para los

microorganismos anaeróbicos.

Hay que indicar que los nutrientes nitrogenados en forma de NH4+ no es

toxico para el microorganismo anaeróbico, pero si el NH3 es muy toxico

para el microorganismo.

NH4+ NH3 + H+

Por consiguiente el pH no debe ser mayor a 9.8, porque a este pH existe

formación de (NH3) (Diagrama PC-pH)

La cantidad de NH3 máximo de ser 50 mgNH3/l. Si hay demasiada

cantidad de NH3, la hidrólisis no se produce. En caso que se produzca

gran cantidad de NH3 se debe disminuir el pH con HCl o disminuir la

Temperatura.

Un método práctico es inhibir arcilla (bentonita) para que el NH4+ se

adhiera a la superficie en la arcilla y no esté libre en la solución del lodo.

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NH4+

NH+

NH4+

ARCILLA




Otros compuestos químicos; como cloroformo, CN-, antibióticos pueden

influir inicialmente al microorganismo, pero después de un tiempo los

microorganismos pueden adaptarse a otros compuestos.

El H2S formado durante el proceso anaeróbico es toxico para las

bacterias del metano, el mismo que adicionalmente se forma de los

sulfatos por la presencia de bacterias de sulfatos por medio de la

reacción:

H2+SO4-2 SRB + H2S

Donde:

SRB Bacterias de reducción de sulfatos

El H2S disminuye la producción de CH4 y es toxico para las bacterias de

producción de metano (MPB)

Una mol de H2 puede reducir ¼ de mol de SO4 -2

1/3 H2 para uso de bacterias

reductores de

1 g DQO sulfatos (SRB) H2S2/3 Ac-

Para bacterias productores de

CH4

1 mol H2 reduce ¼ mol H2S

Corresponde

16 g DQO-H2 = ¼ mol H2S

1 g DQO-H2 ̴ 6.5g H2S -S

Para eliminar el H2S se puede recurrir a:

a. Aumenta el pH

b. Añadir Fe2+; Fe2+ + S- FeS

c. Aumentar DQOSO42- para tener mayor cantidad de Gas

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d. H2S bacterias S ( se está trabajando)

El Oxígeno mata las bacterias anaeróbicas y un exceso de ácidos

interrumpe su crecimiento

FRACCION BIODEGRADABLE

Muchos compuestos químicos no son biodegradables y estos tienen su

resistencia al tratamiento biológico. Para encontrar la parte

biodegradable se determina el DQO Y DBO5 a 20°C, así:

Si DQO=5000mg/l y e DBO5=1000mg/l

DBO5=DQO*0.65*fc

1000=5000*0.65*fc

fc=0.3(30%) solo el 30% de la materia orgánica es degradable

BIOREACTORESClasificación. Parámetros de Diseño

Los bioreactores pueden definirse como un depósito en el que seproducen una serie de reacciones biológicas llevadas a cabo por losmicroorganismos o enzimas que se encuentran dentro del reactor.En el tratamiento de los contaminantes de aguas domésticas oindustriales, los bioreactores se emplean principalmente para reducir lacontaminación de los contaminantes presentes en aguas contaminadashasta niveles aceptables.El tratamiento biológico es muy versátil y rentable cuando la

concentración de contaminantes en el agua es relativamente baja y losvolúmenes a tratarse son grandes. Otras alternativas bajo estascondiciones son costosas, como la incineración.Los contaminantes pueden ser:

• Materiales flotantes inmiscibles (aceite, grasas, sólidos flotantes)• Sólidos en suspensión orgánica• Materiales orgánicas solubles

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• Materiales inorgánicos solubles ( ejemplo:NH3, NO3- , fosfatos)

• Materiales volátiles.El tratamiento biológico se emplea de forma rutinaria para reducir elDBO desde 100 – 250 hasta 5-15 mg/l, el DQO desde 200 -700 hasta 15-75 mg/l, el fósforo desde 6-1.0 hasta 0.2 -0.6 mg/l, el nitrógeno desde 20– 30 hasta 2 – 5 mg/l y los lodos en suspensión desde 100 – 400 hasta10 – 25 mg/l.Los bioreactores destinados al tratamiento de aguas residuales solopueden diseñarse de forma apropiada si se tienen en cuenta losparámetros cinéticos asociados a las principales reacciones biológicasimplicadas en el proceso, tales como: velocidad de eliminación decontaminantes por unidad de biomasa, la velocidad de crecimiento demicroorganismos, la producción de biomasa por unidad de sustratoconsumido y los requisitos de nutrición de los microorganismos.

Además al diseñar se debe disponer de la información cuantitativa enrelación a la velocidad de transferencia de la masa de los nutrientes;específicamente del oxígeno, a los microorganismos, con el fin de tenerun diseño que satisfaga todos los balances de masa y de energía. Todosestos datos se obtienen del laboratorio en un estudio de planta – piloto ode la acumulación de la experiencia de plantas existentes.

CLASIFICACIÓN DE LOS BIOREACTORESAntes de examinar las características de cualquier bioreactor específicoes conveniente considerar las diferentes categorías en las que se puedeclasificar lo cual ayudará a comprender las ventajas y desventajas decada tipo de reactor y así poder escoger el más adecuado para eltratamiento de aguas contaminadas de determinadas características.Las categorías de bioreactores

A. Reactores aeróbicos y anaeróbicosLa diferencia fundamental entre ambos tipos de reactores consiste enque los reactores anaeróbicos deben cerrarse para excluir al oxígeno delsistema, ya que el oxígeno interfiere en el metabolismo de los

anaerobios, otra razón que obliga a que el reactor anaeróbico seacerrado es el olor, asociado a la fermentación anaeróbica. Un reactoranaeróbico doble también cuenta con un sistema de ventilación o unsistema de recolección de los gases (CH4 y CO2) generados durante elproceso anaeróbico.Por lo contrario, los reactores aeróbicos que contienen biomasa ensuspensión requiere el uso de un sistema de aireación o dispersores

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para proporcionar el oxígeno a los microorganismos. Una de lasprincipales diferencias del oxígeno como sustrato clave es su bajasolubilidad en agua, al contrario de los restantes sustratos importantes(caliza, nitratos NH4+, etc.) que presenten concentraciones desaturaciones altas.Además y debido a la baja saturación del oxígeno en el agua, la fuerzamotriz para transferir al agua la masa de oxígeno procedente de lasburbujas de aire es bastante pequeña. Por lo tanto, se debe generaruna gran interfase aire - agua para suministrar suficiente oxígeno alsistema. Generalmente, se lleva a cabo mediante el uso de uno o másagitadores que rompen las grandes burbujas de aire y las distribuyen enel líquido.La mayoría de plantas de tratamiento biológico existentes sonaeróbicas. Las razones para esta preferencia frente a las anaeróbicas

son: La mayor parte de aguas residuales que pueden ser tratadasmediante este sistema, la mayor estabilidad que presenta el proceso yla facilidad de su control y la capacidad de conseguir un mayor grado deeliminación de DBO, nitrógeno y fósforo.Los sistemas anaeróbicos requieren un mayor tiempo de residencia delresiduo en el reactor, debido a que el metabolismo de losmicroorganismos anaeróbicos es lento. Esto se traduce en la necesidadde un reactor de mayor volumen para tratar la misma cantidad deresiduos. El metabolismo lento implica también la necesidad de unmayor periodo de tiempo para que los organismos anaeróbicos seadapten en el reactor. Esto hace que el tiempo de arranque puede serimportante y se requiera más tiempo para volver a poner el reactor enfuncionamiento cuando se pierda la población bacteriana por una fallaen el proceso.

Además, el reactor anaeróbico necesita mayor control de losparámetros de operación, así, el pH y la temperatura.Mientras la degradación aeróbica normalmente se lleva a cabo conmúltiples organismos que trabajan más o menos en formaindependiente y paralela, los organismos anaeróbicos viven en

consorcios o asociaciones, donde distintos tipos de organismos sonresponsables de la degradación de los desechos. Esto hace que losreactores anaeróbicos sean más propensos a fallos. Las razones queexplican este hecho son la sobrecarga orgánica, las sustancias tóxicaspara la vida de los microorganismos. La sobrecarga orgánica se producecuando las aguas residuales contienen una alta concentración decompuestos orgánicos. Esto provoca la rápida producción de ácidos

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volátiles por parte de una parte de los microorganismos anaeróbicos(bacterias acetogénicas), y la inhibición de los metanógenos (producenCH4), con el consiguiente fallo del reactor.Sin embargo, los reactores anaeróbicos tienen ventajas, tales como: soncapaces de tolerar mayores velocidades de carga, no requieren un altogasto energético para la dispersión de aire (caso aeróbico) y generanmenos biomasa por unidad de residuo degradado y pueden trabajar conflujos contaminados con materiales peligrosos volátiles que pueden serarrastrados por el aire.Uno de los principales inconvenientes del reactor aeróbico, por ejemplo,es el proceso con lodos activados, en donde se produce gran volumende biomasa.Una ventaja de los reactores anaeróbicos es la producción de CH4 quepuede ser usado como combustible y puede reducir compuestos

halogenados que posteriormente pueden tratarse en forma aeróbica.La respiración anaeróbica, que utiliza un aniones inorgánicos, comoSO42- o NO3-, como receptor de electrones en vez de O2, se puedeutilizar para una serie de degradaciones específicas, como ladesnitrificación.

B.- Reactores continuos y discontinuosLa mayoría de los sistemas de tratamiento de aguas contaminadas agran escala son operadas de modo continuo, o sea, el flujo de residuosentra continuamente en la planta y el flujo aclarado sale en flujocontinuo.Un concepto importante asociado a los reactores continuos es el tiempode residencia, que es el tiempo que permanece en el reactor, y serepresenta:τ=VQDonde V es el volumen del reactor y Q, el caudal.Un sistema continuo debe tratar todos los residuos entrantes para losque fue diseñado. Además, la concentración de contaminantes, biomasao nutrientes debe ser constante en cualquier localización y no variar en

función del tiempo. En otras palabras, el sistema funciona encondiciones de Estado Estacionario. En la práctica, las fluctuacionessiempre están presentes por los cambios que se producen en lascondiciones operativas (velocidad de flujo, composición, etc) yparámetros de operación (temperatura, pH, etc.). El problema enprocesos continuos es que si se produce una parada en el proceso que

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no se pueda corregir satisfactoriamente, el resultado será una descargade un flujo con contaminantes.Por lo contrario, en los sistemas discontinuos, el reactor se carga con losresiduos y el proceso se desarrolla hasta que se completa. Estossistemas son generalmente más sencillos, requieren un equipo de apoyomínimo y son adecuados para el tratamiento de pequeñas cantidades deresiduos, cuando el tiempo de residencia es demasiado largo y cuandose trata sólidos. Esto sería el caso del compostaje, por ejemplo, en elque la descomposición de los residuos se logra mezclando los residuoscon agentes espumantes y nutrientes en pilas de residuos sólidos. Eltratamiento líquido/sólido, procesos similares al de los lodos, activados agran escala, funciona mejor en forma continua.Un proceso de operación intermedio, entre el proceso continuo ydiscontinuo, es el proceso semi-continuo. Aquí, el material residual entra

continuamente en un reactor, que es operado en forma discontinua.

C.- Reactores de mezcla completa y flujo – pistónLos bioreactores continuos se pueden diseñar y operar como reactoresde mezcla completa o como reactores de flujo en pistón, o unacombinación de estos dos tipos extremos.En el reactor de mezcla completa, el contenido del reactor estácompletamente homogéneo, mediante agitadores en otro dispositivo demezcla (Figura 1)

Cuando entra al reactor, la alimentación se encuentra completamentehomogeneizada dentro del seno del líquido. El flujo que sale del reactortiene la misma composición que el líquido en el interior del mismo. Alreactor de mezcla completa frecuentemente se le conoce como reactorde agitación continua.

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Figura 1. Reactor de Agitación Continua




En un sistema de flujo pistón, el material de alimentación se mueve através del reactor. La composición del fluido varía en cada puntomientras se mueve a lo largo del reactor y se produce la reacción(Figura 2)

Ambos tipos de reactores se exponen para caracterizar elcomportamiento de algunos sistemas de bioreactores utilizados en eltratamiento de aguas contaminadas, como el proceso de tratamiento delodos activados.Los reactores con flujo pistón normalmente son más eficaces en lamayoría de aplicaciones de tratamiento de aguas servidas, ya que lasreacciones biológicas en la descomposición de los residuos sondirectamente proporcionales a las concentraciones de compuestosresiduales. En cambio, en un reactor de mezcla completa, en el agua lasconcentraciones de los contaminantes necesariamente han de ser bajas,presentan un menor rendimiento de conversión de residuos por unidadde volumen del reactor que un reactor de flujo-pistón; en el que el

material efluente no se mezcla con los residuos anteriores.De cualquier manera, un sistema de flujo-pistón es difícil de conseguiren la práctica, puesto que es inevitable un grado de mezcla debido a lapropia dispersión longitudinal. Por lo tanto, lo que se encuentra confrecuencia son los sistemas combinados de los dos tipos de reactores.

D.- Recirculación de fluidoEn muchas ocasiones es ventajoso proporcionar al reactor unarecirculación del fluido, es decir, un flujo lateral procedente del efluente

del reactor que se recircula parcialmente al reactor (Figura 3)

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Figura 2. Reactor de Flujo Pistón

Figura 3. Reactor de Recirculación




En los reactores para tratamiento de aguas, el proceso de recirculaciónde lodos incrementa el rendimiento del reactor y el nivel de flexibilidad

del reactor. Además, los reactores de recirculación incrementan eltiempo de residencia del material tratado en el reactor. Además, es aúnmás importante el uso de la recirculación en reactores biológicos porquese recircula todo el contenido del efluente y no se recircula un solocomponente. En los reactores de tratamiento de aguas residuales, labiomasa de recirculación constituye el ‘biocatalizador’ responsable delas reacciones de degradación. Por esto, con frecuencia es convenientemaximizar la concentración de biomasa en el bioreactor con el fin demejorar el rendimiento de descomposición de los desechos. Esto selogra utilizando un decantador secundario después del bioreactor. En eldecantador, la biomasa se separa parcialmente del líquido y después serecircula al bioreactor. En estos sistemas, el decantador a menudo seconvierte en el componente clave de todo el sistema y la mayoría de lasfallas se atribuyen a la incapacidad para separar la biomasa durante eltiempo de residencia en el decantador.

E.- Sistema de biomasa inmovilizada y biomasa en suspensión.Otra forma de maximizar la retención de biomasa dentro del reactor esevitar su salida junto con el flujo efluente. Esto se puede lograr

inmovilizando la biomasa sobre un soporte que no puede salir con elefluente. Por este motivo, existen varias configuraciones de reactoresque se presentan en un material de relleno al que se adherirán losmicroorganismos formando una película biológica. Este proceso deadherencia con frecuencia se ve incrementado por la preferencia de lapoblación microbiana a crecer acoplado a un soporte, en vez de ensuspensión. En otros casos, los sólidos a los que se acoplan losmicroorganismos son pequeñas partículas (como arena) que puedenmantenerse fácilmente en suspensión (lecho fluidizado) mediante el

flujo residual que entra en el reactor, pero que no son lo suficientementeligeras como para ser arrastradas por el efluente. Finalmente, losorganismos también pueden ser inmovilizados en un soporte sobre elque se hace gotear el efluente residual, o en un soporte que se sumergeperiódicamente en la disolución de residuos (como el caso de los discosrotativos o biodiscos). En todos estos sistemas, mientras la biomasa seva espesando sobre la superficie en cantidad suficiente a los organismos

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que estén en el interior. Al final esto conducirá a una pérdida de la capade biomasa contenida sobre una partícula dada o un área de superficie(desprendimiento negativo). Este fenómeno ayuda a mantener un nivelconstante de biomasa en el reactor que en otra forma se atascaría.

CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS BIOREACTORES

Actualmente, en el sector industrial, se utiliza un gran número debioreactores distintos. Se diferencian no solo en su configuración física,sino también en los diferentes requisitos que se imponen en el proceso ya la actividad metabólica microbiana. Por ejemplo, los mecanismos parael suministro y distribución de aire en lso reactores aeróbicos (parteausente en los reactores anaeróbicos), los mecanismos para lainmovilización microbiana, la operación continua o discontinua, etc., dan

lugar a las características de un reactor específico. En general, losbioreactores para el tratamiento de aguas contaminadas caen dentro delas dos amplias categorías:

1.- Bioreactores con biomasa en suspensión.- La biomasa en estosreactores es la responsable de la acción de descomposición de lamateria orgánica y se encuentra en suspensión; por tanto, se deberárecuperar y recircular parcialmente al reactor para que el proceso seaautosostenible. El proceso de lodos activados se basa en el uso de estetipo de reactores. Algunos procesos continuos anaeróbicos tambiénutilizan este método.Los reactores agitados mecánicamente y los reactores con aireación sonejemplos de estas categorías.

2.- Bioreactores con biomasa inmovilizada.- En estos reactores, labiomasa se inmoviliza sobre algún tipo de soporte y no se pierde en elefluente. Este tipo de reactores se utiliza en algunas aplicaciones detratamiento aeróbico en reactores con relleno, de lecho bacteriano, debiodiscos y de lecho fluidizado. Además, este es el método utilizado en

el diseño de la mayoría de los procesos continuos de tratamientoanaeróbico.

A. Bioreactores con agitación mecánica.Este tipo de reactores agitados son recipientes metálicos o de hormigóncon algún sistema mecánico de agitación que mueve uno o másagitadores. Si los reactores son pequeños y cerrados, generalmente,

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pueden ser cilíndricos y metálicos, con un eje central equipado conrodetes (aspas) y movido con motor. Estos reactores deben tenerdeflectores verticales montados cerca de la pared del reactor queelimina los remolinos (parte sin mezclar) del líquido.Las grandes instalaciones abiertas, que se encuentran en plantas detratamiento aeróbico, normalmente son depósitos rectangulares convarios puntos de agitación distribuidos por igual en la superficie deldepósito (Figura 4.)

La agitación cumple dos finalidades: obtener una mezcla homogénea ypara ello se dispersan por todo el reactor los nutrientes disueltos y labiomasa. Para cada rodete, el consumo de energía es:P=MP ρ M3 D5Donde: P es la energía, M es la velocidad de agitación (en rpm),D es eldiámetro del rodete y MP es una constante (Constante de Newton) queestá en función del tipo de rodete. Ejemplo para turbinas de discos con 6aspas, MP = 5. El MP se encuentra en la literatura.La segunda finalidad, si el reactor es aerobio, es la dispersión del airerompiendo las burbujas de aire para aumentar el área de interfase gas-líquido y aumentar la transferencia de O2. Los agitadores de discos son

muy eficaces pero consumen mucha energía. Los difusores de aire queestán aceptados deben proporcionar burbujas de aire del menordiámetro posible. Se usa un compresor de aire para la administración deaire.La velocidad de transferencia del O2 por unidad de volumen del líquidoestá dada por:

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Figura 4. Reactor Agitado y Aireado




MO2=Kta CS-C

Donde: MO2 es la velocidad de transferencia del O2 / volumen de líquido,CS y C son las concentraciones de O2 en saturación y en aguarespectivamente y el Kta es el coeficiente de transferencia de masa Kt,

por el área a de interfase / volumen del líquido, que a su vez está dadopor:

Kta= β PgV0,7 V0,6

Donde, V es la velocidad superficial del gas, β que es una constante yestá entre 1,2 y 2,3 si todas las variables están en unidades SI. El valorde Pg es el consumo de energía del agitador bajo condiciones deaireación, que es una fracción del valor P, y está dado por la relación:

PgP=f M, Qg

Donde f M, Qg depende de la velocidad de agitación y la tasa deaireación Qg.Los niveles típicos de transferencia de oxígeno se sitúan en el rango de1 – 1.8 Kg de O2 transferido/ KW-h de energía consumida.

B.- Bioreactores con aireador de superficieLos aireadores de superficie generalmente se encuentran en grandesreactores. Este tipo de agitador gira muy cerca de la superficie del

líquido y atrapa el aire de la interfase gas – líquido.La mezcla aire – líquido se dispersa a través del depósido mediante laacción giratoria del rodete. Se puede utilizar varios dispositivos derodetes.La ventaja de este método de dispersión del aire es que no se utilizaningún compresor de aire externo. El consumo de energía es menor queel agitador sumergido. Las transferencias típicas de O2 están entre 1.5 y2.5 Kg O2 / KW h. Para asegurar que el agitador realice una suspensióncompleta de la biomasa, la profundidad de los tanques de aireación será

menor a 4 metros (fig. 5)

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C.- Bioreactores RBC (Contactores biológicos o biodiscos)

Estos reactores son usados exclusivamente en procesos de tratamientoaeróbico. Están formados por un número variable de discos montadossobre un eje horizontal parcialmente sumergido en el líquido que gira

lentamente (Figura 6). La biomasa se acopla a ambas superficies de losdiscos. La acción giratoria la expone, en forma alternada, al líquido (queproporciona los nutrientes disueltos) y al aire (que proporciona eloxígeno.

D.- Bioreactores de lechos fijos

Los reactores de lecho fijo representan uno de los dispositivos deseparación y uno de los tipos de reactores más comunes en la industriaQuímica.En este tipo de reactor se utilizan los microorganismos inmovilizados ensu interior para degradar los contaminantes de aguas residuales.

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Figura 5. Reactor con aireador de superficie de biodiscos

Figura 6. Contactor biológico rotativo




Los lechos fijos están formados por un recipiente (que puede estarabierto o cerrado) que contiene internamente un material de relleno. Elrelleno se diseña para que posea una gran área superficial, donde lafase líquida, la fase gaseosa (si existe) y los microorganismosinmovilizados pueden estar relacionados. Por lo general, el relleno seelabora con material suelto como grava, piedra de lava, piedra pómez omaterial plástico.Los lechos fijos se pueden emplear para procesar aeróbicos yanaeróbicos.Los lechos anaeróbicos son recipientes cerrados en los que solo circulael líquido a tratarse en sentido ascendente dentro del lecho.(Fig. 7)

E.- Bioreactores de lecho fluidizadoOtra forma de retener a los microorganismos dentro del reactor consisteen inmovilizarlos sobre las partículas de un material más pesado que ellíquido, y después, mantenerlos en suspensión utilizando el propiolíquido. Este método es empleado por los reactores de lecho fluidizado(Fig. 8)Como partículas de inmovilización se puede usar arena, carbonoactivado, resina, etc. La suspensión se consigue cuando el arrastrefriccional ejercido por el fluido es equivalente a la fuerza gravitacional.Experimentalmente, se ha comprobado que, para partículas pequeñasde 1 mm. , la velocidad del fluido en la que se consigue la fluidizaciónestá dado por:

Vfl= Vd En10-dDDonde:Vfl es la velocidad de fluidización, Vd es la velocidad de las partículas encaída libre dentro del líquido, E es la porosidad del lecho, ‘n’ es unexponente en función del régimen de flujo, ‘d’ es el diámetro de lapartícula y D es el diámetro del reactor.

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Figura 7. Reactor de lecho fijo de flujo




F.- Bioreactores de flujo de aire ascendenteEn algunos bioreactores aerobios, la energía suministrada al gas enforma de presión se emplea también para homogenizar al líquido, eincluso para hacer circular. En los tanques de aireación dentro delproceso tradicional con lodos activados, el aire se suministra de unaforma alternada mediante difusores. Existe dos métodos: el primero

consiste en introducir aire a través del material poroso, obteniendoburbujas finas, y el segundo consiste en forzar el aire a través de unaserie de orificios, con lo que se obtiene burbujas más grandes. También se puede emplear boquillas a chorro. Los difusores se montansobre una red de tuberías de aire localizadas en el fondo del recipientecon el fin de proporcionar una oxigenación uniforme del líquido. Lasburbujas producidas por los difusores generan también un flujo inducidoque mezcla el líquido verticalmente y sirve para suspender la biomasa ylos sólidos que se encuentran en suspensión (Fig. 9)

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Figura 8. Reactor de lecho fluidizado




SISTEMA DE REACTORES AEROBICOS1. LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN AÉROBICOSLas lagunas aeróbicas representan uno de los métodos más antiguosde purificación de aguas residuales. Generalmente se trata deembalses de agua, con un tamaño que puede variar entre 100m2 yvarios Km2, rodeado por barreras materiales o artificiales de

contención a donde fluyen las aguas residuales, y en donde diversosmecanismos llevan a cabo su actividad metabólica.Mientras que la mayoría de procesos biológicos de tratamiento sonorganismos heterotróficos que realizan la actividad dedescomposición, en las lagunas aeróbicas son los organismosautotróficos, como por ejemplo las algas, que juegan un papelimportante. La fotosíntesis de estos organismos produce el 02 que losmicroorganismos emplean para atacar y degradar losmicroorganismos. A cambio, la población microbiana responsable dela degradación del contaminante genera CO2 y otros productosresiduales que pueden ser utilizados por las algas. Las algasnecesitan luz y por tanto, las lagunas aeróbicas normalmente sonpocos profundas (0.15 – 1 m), lo que permite que la luz penetre yllegue hasta el fondo de la laguna, manteniendo bajo condicionesaeróbicas. Además, la poca profundidad incrementa el área deinterfase aire-agua por unidad de volumen en la laguna, creciendo latasa de transferencia del O2.Debido a la elevada relación área/volumen, las lagunas aeróbicaspueden sufrir importantes variaciones de temperatura que tienen un

efecto importante sobre la población microbiana y sobre elrendimiento de la laguna.Las lagunas de estabilización, se pueden operar como estanques dealmacenamiento, donde no existe efluente líquido, solo vaporización,mineralización de compuestos volátiles (a CO2) y sedimentación delmaterial no degradable.

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Figura 9. Reactor de flujo ascendente de




Las cargas típicas, se encuentran alrededor de 0.01 Kg DBO/m3·día ypuede ser de hasta unos cientos de miligramos por litro. El tiempo deretención en las lagunas aeróbicas varía entre unos pocos días hasta100 días aproximadamente, con una tasa de eliminación de la DBOentre el 80 y 90%.REACTORES DE LODOS ACTIVADOS AERÓBICOSEl proceso de lodos activados es una de las más antiguas para trataraguas residuales. Mediante este proceso, se programa el crecimientode los microorganismos aerobios que se alimentan del contaminantey se evita el crecimiento de microorganismos anaeróbicos y lageneración de olores.La recirculación de parte de la biomasa logra un crecimiento de lasconcentraciones de biomasa dentro del reactor, acelerando lavelocidad de degradación por la eliminación del proceso de

adaptación. Todos los procesos de lodos activados sigue un esquema general.Primero se introducen las aguas residuales en el tanque de aireación,en el cual, se dispone aire y se promuve el crecimiento aerobio quese expone en la figura de la página 39.Bajo una serie de condiciones óptimas, los microorganismospresentes en el reactor generan un gel polisacárido que será elresponsable de provocar la aglomeración de los microorganismos enflóculos microbianos llamados lodos o fangos activados, la formaciónde estos aglomerados da lugar a la separación de los sólidossuspendidos en las aguas residuales, y a la incorporación de éstos enel flóculo.Posteriormente, los microorganismos proceden a atacar a todo estematerial y lo transforman fundamentalmente en biomasa y CO2, conla consiguiente descomposición de aguas residuales y por tanto seincrementa la oxidación de los contaminantes.

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Figura 10. Proceso de lodos activados

Si el proceso es de crecimiento suspendido, los microorganismos

están suspendidos en el tanque de aireación por mezclado mecánicoy/o aire difundido y su concentración en el tanque es mantenido porla continua retroalimentación del flóculo biológico de lasedimentación del tanque decantador secundario (sedimentadorsecundario). El sobrenadante se puede llevar a un proceso detratamiento final (si es necesario) o se vierte.Cuando se dan condiciones no favorables como cargas tóxicas,fluctuaciones de temperatura o cambios de pH, los organismosfilamentosos dominan a la población microbiana en el tanque deaireación. Entonces, el proceso se espesa y los flóculos micorbianos

tienden a quedarse suspendidos en lugar de sedimentarse. Comoconsecuencia de esto, el decantador no es capaz separar y recircularla biomasa y el proceso entero falla. El espesamiento puede estarafectado por el diseño del reactor.Los tasa de flujo están entre 30 – 50 m3/m2·día y la carga de sólidosen el tanque de aireación de 6 – 9 Kg/m2·h.

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Un flóculo biológico que sedimenta en el tanque final (llamadotambién clarificador o sedimentador secundario) alrededor del 25 al40% se retorna al tanque de aireación, el resto llamado lodo activadode desecho puede recibir un tratamiento posterior.Actualmente existen muchos diseños de reactores de lodosactivados, pero todos ellos se encuentran entre los reactores agitadosy los reactores tipo pistón, como se expone en la figura siguiente yque se conocen como reactores de mezcla completa.

Figura 11. Tipos de procesos con lodos activados con mezclacompleta.

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Si el volumen del tanque es grande, se emplea múltiples agitadores orecirculadores internos y chorros. Estos son normalmente dehormigón.Los reactores de mezcla completa para lodos activados tienen laventaja que minimizan la reducción de nutrientes (incluyendo al O2)en cualquier parte del tanque de aireación. Además, toleran bien lassobrecargas puntuales y que cualquier variación del afluente encomposición se amortigua en la disolución que se genera cuando elefluente se mezcla con el contenido del reactor.El diseño de estos reactores (sistemas continuos de mezcla completa)se realiza calculando el balance de masa en estado estacionario parala biomasa y el sustrato (carga orgánica) una vez, impuestas lasrestricciones del sistema, como la velocidad de flujo y el % deeliminación de materia orgánica y establecido las constantes

cinéticas del proceso.El balance de masa para el sustrato se puede expresar como:1θs=μmaxSaSa+Ks-Ke

Donde:θs:tiempo medio de los lodos activados en el sistema edad del lodoμmax y Ks:son constantes de la cinética deMond para la poblaciónmicrobianaKe:constante de la respiración endógenaSa:concentración del contaminante en el reactor y en el efluente

Por otra parte θs, viene dado por:θs=V ma1-βQme+βQmrDonde:V:volumen del tanque de aireaciónma, me y mr:son las concentraciones de biomasa en el depósito y suafluencia en elefluente del decantador y en el flujo de recirculación respectivamente.Q:velocidad de flujo del afluente1-βQ+βQ :son los ccaudales de purga de lodo y del lodo recirculado desdeel decantador respectivamente.

Además, a partir del balance de masa para el substrato se obtiene lasiguiente expresión:Vma=Co-CaYQθs1+KeθsDonde:Co:concentración del contaminante en el afluente Y:coeficiente en tre la cantidad de biomasa producida por unidad decontaminante eliminado

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Finalmente, el volumen del reactor de aireación se calcula:V=θsQ(1+α+αmrme)Este cálculo se realiza una vez establecido la relación de circulación α. (αe sigual a la relación entre el caudal de recirculación y el caudal del afluente)Algunos valores típicos para los parámetros cinéticos a 20°C son:

Y=0.5; μmax=2-0 dias-1; Ks=30-300mgL; Ke=0.05 días-1La edad del fango normalmente es de 6-15 días.Con relación al reactor de flujo pistón para lodos activados (ver figuraanterior), se utiliza para tratar aguas residuales. En estos sistemas elagua residual fluye por tanques alargados y estrechos con lo cual seminimiza cualquier efecto de mezcla. En la práctica es difícil obtener unpistón ideal, es más, la presencia de burbujas de aire tienden aincrementar la turbulencia del sistema. El flujo pistón generalmenteprovoca el crecimiento de u lodo de buena calidad con excelentes

características de sedimentación, lo que produce una rápida caída de lasconcentraciones del contaminante en la primera parte del reactor ydisminuye la posibilidad de que la concentración en el resto del reactordisminuya.Un inconveniente importante de los reactores de flujo pistón es susensibilidad respecto a una sobrecarga puntual, ya que cualquierincremento de la concentración del contaminante de las aguasresiduales no se destruye por igual en el reactor. Con el fin de eliminarla sensibilidad a una sobrecarga puntual de los reactores de flujo pistóncon lodos activados se puede dividir el reactor en una serie de reactores

más pequeños de mezcla completa que se alimentarán en serie(Reactores en serie con lodos activados) (Esquema C de la anteriorfigura). También se puede un sistema de distribución que envía elafluente a varios puntos a lo largo del reactor flujo-pistón (Esquema dela figura anterior)Existen otros diseños como los reactores de canales de oxidación en losque se tiene varios puntos de oxidación (entrada de aire). Son reactoresde 30 – 200 metros de largo, de hormigón introducidos en el suelo, enforma de pista de atletismo, en donde las aguas residuales mueven

circularmente. El punto de entrada para el efluente se encuentra justoantes de las rectas del depósito.Las aguas residuales se bombean horizontal y longitudinalmentemediante agitadores axiales horizontales sumergidos. La velocidad delagua (0.3 – 0.5 ml/s) es suficiente para permitir que la mayoría desólidos se mantengan en suspensión y no se produzca condicionesanaeróbicas en el fondo del tanque. El aire se dispersa en varios lugares

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a lo largo del reactor. Aquí, en los puntos donde se tiene oxígenoabundante, se tiene la oxidación del NH3 a nitratos (nitrificación),además de la oxidación aeróbica de la DBO. Por lo contrario dondeexiste menos oxígeno se favorece las reacciones biológicas anóxicas(por ejemplo la conversión de NO3- producidos durante la nitrificación enN2, desnitrificación) con lo cual se completa la eliminación de la carga denitrógeno orgánico inicial. El efluente sale en forma continua en unpunto del circuito antes de la entrada.Fig

Figura 12. Estanque de oxidación

Los lodos pueden ser también activados con oxígeno puro en vez deaire, usando tanques cubiertos. Estos reactores tienen la ventaja quepueden operar con cargas contaminantes altas, reduciendo el tamañodel reactor y recibiendo desechos más resistentes, pero es costoso porla obtención de oxígeno y las seguridades para operar la instalación. Sepuede también mezclar O2 con aire. Estos sistemas ricos en oxígeno hansido de gran utilidad en el tratamiento de las aguas residuales

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procedentes de las industrias petroleras y químicas. Además, estemétodo se emplea en el tratamiento de aguas residuales que presentanproblemas de olores (por ejemplo aguas que proceden de plantas deprocesamiento de pescado).Existe otro tipo de reactor batch secuencial, en el cual la aireación y laclarificación son realizados secuencialmente en el mismo tanque. El ciclode operación se realiza en 5 etapas: llenado, reacción (mezcla yaireación), sedimentación, decantación y tiempo fuera de servicio. Lainstalación de estos reactores implica la instalación de 2 reactoresidénticos que alternativamente el influente para dar un tratamientocontinuo.Los costos de operación y construcción son 20% menos que losreactores convencionales puesto que en la sedimentación secundaria siel bombeo de la retroalimentación del lodo activado es recirculado.

Decantadores secundarios y espesadores, aunque no sonbioreactores constituyen una parte esencial del proceso de lodosactivados. Cualquiera de los procesos de lodos activados mencionadoscon anterioridad depende de la separación de la biomasa de las aguasresiduales tratadas para (1) generar un efluente clarificado, (2)recircular la parte de la biomasa con el fin de hacer variable el proceso.Estos dos pasos fundamentales se consiguen mediante un decantador oespesador después del tanque de aireación. De hecho, cuando unproceso de lodos activados no cumple sus especificaciones de efluente,normalmente se debe a que el decantador no ronde según lo esperadoen el diseño.La diferencia entre decantador y espesador es bastante marginal, soncasi idénticos, exceptuando que los decantadores generalmentepresentan una concentración más ligera y se utilizan par un menorvolumen de lodos. En la mayoría de las aplicaciones de tratamiento deaguas residuales se emplea un decantador.La producción de lodos de buena calidad capaz de sedimentarserápidamente es esencial para el buen rendimiento del decantador. Losflóculos de biomasa se sedimentan y se observa una clara interfase

entre la biomasa que sedimenta y el sobrenadante que se decanta.Durante el proceso de sedimentación es posible identificar tres zonas:una zona superior con líquido claro, una zona en el fondo con la biomasasedimentada que comprime con el paso del tiempo y una zonaintermedia donde la biomasa disminuye su velocidad de sedimentaciónsegún se acerca a la capa de sedimentación del fondo.

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Los decantadores secundarios pueden ser clasificados como losprimarios (circulares, rectangulares, etc.). Un esquema del decantadorse expone en la figura siguiente:

Figura 13. Decantador

Cinética del proceso de crecimiento suspendidoLos parámetros aplicables para el sistema de crecimiento suspendidoson: la tasa de remoción del sustrato, q, la tasa de crecimientoespecífico, μ; el tiempo de residencia θc; y la relación de carga orgánicaF/M (Alimento / microorganismo) ó Kg BOD5aplicado/díaKg SS volátiles(días-1)Sabemos que la tasa o velocidad de reacción "γ"de la conversión desubstrato o remoción de materia orgánica biodegradable están enfunción de la concentración del sustrato “A”. Así:γ=-KrAn(mgL*t)Donde:n=0 orden cero, Kr mgL*t; γA=-Krn=1 segundo primer, Kr t-1; γA=-KrAn=2 segundo orden, Kr Lmg/t; γA=Kr[A]2En procesos biológicos, la tasa “q” del sustrato (materia orgánicabiodegradable) que se convierte esta también en función de [x],concentración de sólidos biológicos presentes, concentración delsustrato orgánico y está dado por:qs=KpS" q mg de sustrato convertido/tmg de sólidos presentes

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Donde:S:concentración de sustrato orgánico presenteqs=tasa conversión del sustrato específico:γgxX:concentración del sólido biológico presente sólidos volátiles de la mezclalíquida

γg=μm xSKs+Sn=0 orden cero, Kp L/tn=1 segundo primer, Kp L/(mg*t)

n=2 segundo orden, Kp L/mg2/t

Para explicar la integración de la ecuación cinética del crecimientosuspendido, el coeficiente Kr de remoción del sustrato se necesitamultiplicar por la concentración de sólidos biológicos [x].XKp t=A0-AALa tasa de remoción del sustrato “q” puede ser calculada basándose

sobre la definición expuesta anteriormente

qs= mg de sustrato convertido/tmg de sólidos presentes

De lo que puede deducir:q=S0- SXVQDonde:X:concentración de sólidos en el tanque de aireación como sólidossuspendidos en la mezcla líquidaV:volumen del tanque de aireación

Q:flujo en el tanque de aireaciónComo V/Q es el tiempo de residencia (t) en el tanque de aireación, setiene:q=S0- SXt Tasa de crecimiento específico (µ) la tasa dx/dt al que los sólidosbiológicos son producidos en proporcional a la tasa dS/dt al que elsustrato es utilizado se tiene:dxdt=YdSdt; γg= dxdt=Yγsuμ=Yq μmXSKs+S=YγsuDonde:

μ:Tasa de crecimiento específico/díaq:rate de remoción del sustrato específico/día Y:rendimiento=mg de sólidos biológicos producidosmg de sustrato convertidoDe estudios de cultivo puro, el crecimiento específico (µ) paramicroorganismos ha sido encontrado para seguir una reacción tiposaturación de la forma:μ=μmSKs+S

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μ

μ=μmS/(Ks+S)

μ=μm

μ=KsS

Ks

0.5 μm


Donde:μ:Tasa de crecimiento específico de microorganismos/díaμm:constante reta de crecimiento máximo de microorganismos/díaCuando S no limita el crecimientoDonde:

S:concentración mgLde crecimiento límite del sustrato.Ks:constante, cuando μ=μm2,se tiene Ks=SEsta relación se demuestra en el gráfico siguiente, aplicable mientras elsustrato es una concentración limitante o no, así:Cuando S >> Ks, µ=µm (reacción de orden 0)Cuando S << Ks, µ=KsS (reacción de primer orden)

Concentración del sustrato, S (mg/L)

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Es evidente que la velocidad de crecimiento específico (µ) de losmicroorganismos sigue una reacción de saturación con respecto a laconcentración del sustrato. Entonces, como μ=Y*qs, la recta de reunióndel sustrato específico, q, puede ser relacionado a la concentración desustrato límite que es:qs=1YμmSKs+S; γsu=qsXSKs+SA causa de una baja concentración de sólidos suspendidos yrelativamente alto Ks, en el sistema de crecimiento suspendido µ y qs

puede ser aproximado a reacción de primer orden.Tiempo de residencia (Ө c) de las célulasEl tiempo de residencia es referido al tiempo de retención de los sólidoso edad de los lodos, enm el tiempo en días que los sólidos biológicospermanecen en el sistema, esto es:θc=masa de sólidos en el sistemamadsa de células producidas/día

En una operación de estado estacionario la masa de las célulasproducidas es igual a la masa de células desechadas. Si se considerauna pequeña cantidad de sólidos biológicos despreciable perdida en elefluente la masa de células desechadas es:Masa de células desechadas es: Qw[x]r

Donde:Qw es la velocidad a la cual el lodo (sólidos biológicos) es desechada y[X]r es la concentración de sólidos biológicos como SS o VSS en el flujode retroalimentación, también:θc=XQwXr

Donde:X son los sólidos biológicos totales como SS o VVS en el tanque de aireación,por tanto:

μ=QwXrXEsto hace que:θc=1/μ Y de μ=Yqθc=1/Yq

Tasa de carga orgánica (F/M)

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En un tiempo los tanques de aireación fueron diseñados en la base detiempos de retención hidráulica en el rango desde menos que 4 horas asobre 24 horas y carga orgánica (como BOD5) de 0.5-1.6 Kg BOD5/día m3,de capacidad de aireación (30 – 100 lb/ día 1000 pie3) dependiendo deltipo de proceso seleccionado. El problema con estos procedimientos fueque el efecto de la concentración de los sólidos biológicos en el tanquede aireación no fue considerado. Para remediar esta diferencia, la cargaexpresada como Alimento / microorganismos (F/M) fue contradicha. Estoes la relación de BOD5 por día a los tanques de aireación dividida paralos VSS en la mezcla líquida bajo aireación da el F/M. EL VSS puedeasumirse para representar la masa de los microorganismos presentes.

Al poner valores de F/M para sistemas de crecimiento suspendido setiene:

F/M (1/día) *VSS(mg/L)

Detección(h)

Lodos activadosconvencionales

0.3 2 000 6

Aireación extendida 0.1 4 000 24

Lodos activados conoxígeno

0.4 6 000 2

*Puede variar en ±50%El valor de F/M se puede expresar como se dijo anteriormente enKg BOD5 aplicado/dìaKg VSS en el sistema ó VSSSS que varía entre 0.7-0.9

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Diseño de Reactores Biológicos

Problemas de Ejemplo

Variables de Control• DBO5 (materia orgánica disuelta o coloidal) mg O2/L, kg O2/día• SDO (sólidos disueltos orgánicos, o sustrato a ser consumido por

los microorganismos o sustrato aplicado) mg/L, mg/día• MLSVS (sólidos biológicos, masa de microorganismos, lodos

biológicos, sólidos volátiles, etc) mg/L, mg/día

Clasificación de los balances

Balance General Taza deAcumulacióndemicroorganismos en elsistema(reactorbiológico)

=

Tasa de flujodemicroorganismos de entradaal sistema

-

Flujo demicroorganismos a lasalida delsistema

+

Crecimientoneto demicroorganismos en elsistema

Planteamiento simplificadoAcumulación

=Entrada

-Salida

+Crecimientoneto

Crecimiento neto de microorganimosEn anteriores apuntes se demostró que la tasa de crecimiento (rg) estádada por:

rg=μ∙xcomo rg=dxdtdxdt=μ∙xμ=μmSKs+Srg=μm∙x∙SKs+Srg=-y∙rsvdonde rsv=-μm∙x∙Sy∙Ks+S

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Si μmy que es una constante se reemplaza por K se obtiene:

rsv=-K∙SKS+S

Tosas estas fórmulas son dadas sin tomar en cuenta el metabolismoendógeno (mortalidad de los microorganismos). La mortalidad endógenao respiración endógena o digestión de los microorganismos o ladigestión de lodos biológicos se expresa como:

C5H7O2N+5O2bac. aeróbicas 5CO2+2H2O+NH3+energía

El término de decaimiento endógeno (rd) o mortalidad de losmicroorganismos o tasa de decaimiento endógeno se expresa como:

rd=-Kd∙xrd=dxdt

K d, es la constante o coeficiente de decaimiento (tiempo-1), tomando enconsideración la tasa de decaimiento endógeno, se tiene que la tasa decrecimiento neto será rg’ o sea:

r'g=rg-rd

Esta ecuación se reemplaza en todas la ecuaciones de crecimiento demicroorganismo para encontrar el crecimiento neto de microorganismos,o sea:

netodxdt=μ∙x-Kd∙xr'g=μm∙x∙SKs+S-Kd∙xr'g=-y∙rsv-Kd∙x

La tasa específica de crecimiento (μ’) será:

μ'=μmSKs+S-Kd

Se puede también expresar la trasformación del sustrato orgánico amicroorganismos en forma experimental, o sea lo que se denomina yobservado (yobs):

yobs=r'grsv

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Balance de masa para procesos de mezcla completa concrecimiento en suspensión y sin recirculación

Considerando el balance de masa de (microorganismos):

Acumulación

= Entrada - Salida + Crecimientoneto

Se tiene:

dxdtVR=Qxo-Qx+VRr'g

Reactor de Mezcla Completa

dxdtVR=Qxo-Qx+VRμm∙x∙SKs+S-Kd∙x

Dónde S, es la concentración del sustrato en el reactor, mg/L

Si la concentración de microorganismos en el influente es despreciable omuy pequeña y que la concentración de microorganismos en el reactores constante o prevalece las condiciones de un estado estacionario:dxdt=0, la ecuación anterior se simplifica en:

0=0-Qx+VRμm∙x∙SKs+S-Kd∙xQVR=μm∙x∙SKs+S-KdQVR=μ'=1Θ

Dónde Θ es el tiempo de retención hidráulica (V/Q)

El término Θ también corresponde a Θc(retención del microorganismo enel sistema), o sea:

Θc=VRQ=Θ (en un reactor de mezcla completa)

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Considerando el Balance de Masa del SustratodSdtVR=Q∙So-Q∙S+VRK∙x∙SKs+S

Considerando el sustrato estacionario, dSdt=0, la ecuación se reduce a:

So-S-ΘK∙x∙SKs+S=0

Dónde Θ=VRQ

Concentración de microorganismos y del sustrato

Concentración de microorganismosResolviendo la ecuación 1 y 2: despejando SKs+S de la ecuación 1 yreemplazando en la segunda ecuación se tiene:

x=μmSo-SK1+KdΘ=ySo-S1+KdΘ

En la concentración de microorganismos en estado estacionario

Concentración del sustratoAl reemplazar la ecuación 1 y el valor de K=μmy, se tiene:

S=Ks1+KdΘΘyK-Kd-1

Y el yobses:

yobs=y1+KdΘ

ConclusiónPara conocer tanto la concetración de microorganismos y del sustratoneto es necesario conocer los coeficientes o constantes cinéticas μm y K d

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Balance de masa para procesos de mezcla completa concrecimiento en suspensión y conrecirculación

Nota: la purga de los lodos bilógicos puede ocurrir en el sedimentadorsecundario o del reactor

Balance de Masa para MicroorganismosSe considera la concentración de microorganismos a la entrada norelevante y en estado estacionario

Acumulación

= Entrada

- Salida

+ Crecimientoneto

dxdtVR=Q∙xo-Qw∙xr+Qf∙xf+r'gVR

La ecuación r'g=-y∙rsv-Kd∙x, se sustituye en la ecuación anterior y setiene:

Qw∙xr+Qf∙xfVR∙x=-yrsvx-Kd

El primer miembro de esta ecuación es el Θc, en forma inversa, por lotanto al reemplazar se tiene:

Θc=VR∙xQw∙xr+Qf∙xf

Si la purga ocurre en el reactor (b) y la pérdida de sólidos en el efluentees ignorada, la ecuación anterior queda en:

Θc=VRQw=-yrsvx-Kd

Al reemplazar rsv=-QVRSo-S=-So-SΘ, en la ecuación anterior:

Θc=VRQw=-y-QVRSo-S-Kd

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El término -rsvx, de la penúltima ecuación (ecuación 3), se conoce comola tasa específica del sustrato que se representa como q, o sea:

q=-rsvx=QVRSo-S

Anteriormente, se demostró también que:

rg=dxdt=ydSdt ; μm∙x∙SKs+S=-y∙rsv

Si se sustituye el valor de rsvx, de la ecuación 3 por el término q setiene:

1Θc=y∙q-Kd

La concentración de microorganismos “x” en el sistema o sea un reactorse obtiene sustituyendo el valor de rsv de la ecuación rsv=-So-SΘ en laecuación 3 y despejando “x” se tiene:

x=Θc∙ySo-SΘ1+KdΘc

Ésta ecuación de la concentración de microorganismos en el sistemadifiere de la ecuación de la concentración de microorganismos en unreactor de mezcla completa sin reciclo en el término ΘcΘ, lo cual explicael hecho de que la masa de microorganismos en el reactor esindependiente del tiempo de retención hidráulica

Respecto al parámetro de diseño y control “F/m”, se tiene:

Fm=SoΘ∙x

El término q y F/m se relacionan por medio de la eficiencia del proceso(ε):

q=Fm∙ε100

Balance de masa del sustrato con recirculación

Acumulaci

ón

= Entra

da

- Salid

a

+ Crecimiento

netodSdtVR=Q∙So-Qw∙S+Qf∙Sf-VRVsv-Kd

Si se considera el estado estacionario, la concentración del sustratoorgánico “S”, se deduce a la siguiente ecuación:

S=Ks1+ΘcKdΘcyK+Kd-1

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Esta ecuación de la concentración del sustrato es la misma si seconsidera reactor de mezcla completa sin reciculación, con la xcepciónde que Θ es reemplazado por Θc.

Por lo tanto el yobs será la misma de un reactor de mezcla completa,

reemplazando Θ por Θc, osea:

yobs=y1+KdΘc

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Ejemplo de un proceso convencional de Lodos ActivadosLos deshechos de una planta de lavado de botella contienen desechos

orgánicos solubles con DQO = 300 mg/L. de datos de laboratorio setiene un DBO50.6 veces el DQO. El caudal promedio es de 1.0 MGal/día,y se trata con lodos activados, el DBO5 y los SST (sólidos suspendidostotales) del efluente son iguales o menores que 30 mg/L, el 95% de lasveces. Suponiendo que la temperatura es de 20oC, y que las siguientesoperaciones se aplican:

1. Los sólidos suspendidos totales del afluente al reactor soninsignificantes

2. La concentración de lodos (supuesta) de retorno es de 8000 mg/L,

de los cuales corresponde a 6400 mg/L de sólidos suspendidosvolátiles (80% volátiles)

3. Los sólidos suspendidos del licor mezclado (SSLM) son de 2500mg/L (supuesto)

4. Los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado (SSVLM) son2000 mg/L que corresponde al 80% de los sólidos suspendidos dellicor mezclado

5. El tiempo pormedio de retenciaón de microorganismos es de 8días

6. El régimen hidráulico del sistema (reactor) es de mezcla completa7. Los coeficientes cinéticos y=0.46 lb de microorganismoslb de sustrato

DQOconsumidos, Kd=0.06 días-18. Se calcula que el80% de los sólidos del efluente son

biodegradables. Suponer que los sólidos biológicos se puedenconvertir de DQO a DBO5 usando el factor de 0,6

9. Los deshechos contienen N y P adecuados, así como otrosnutrientes para el crecimiento biológico

10.El coeficiente de confiabilidad del proceso para el DBO y los SST esde 0.7 y 0.65 respectivamente

Determinar:

– El volumen del reactor– La tasa de purga del reactor– La proporción de recirculación– El tiempo de retención hidráulica– La tasa específica de utilización del sustrato

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– La relación F/m

Resolución1. Cálculo del DBO5 y STT con base a los coeficientes de confiabilidad

DBO5media de diseño=0.7*30mgL=21 mgLSTT media de diseño=0.65*30mgL=19.5 mgL

2. Conversión del STT a DQO en el efluente

La fracción volátil es 80% (0.8) ya que el 80% de los SST sonbiodegradables en el efluente. La conversión de células omicroorganismos a DQO es 1.42 (ecuación de metabolismo endógeno)

DQO en SST o DQO suspendidoDQO en SST=19.5*0.80*142=22.15 mg O2L

Por lo tanto el DBO5 soluble en el efluente es igual a:

DBO5soluble=DBO5total- DBO5suspendidoDBO5soluble=21 mg O2L-13.2mg O2L=6.71 mg O2L

Luego el DQO soluble es:

DQO soluble=DBO5soluble0.6=12.85 mg O2L

Por lo tanto el DQO total del efluente es:

DQO total=22.15+12.85=35 mg O2L3. Cálculo de la eficiencia del proceso biológico en base al DQO

soluble y al DQO removido total:a) En base al DQO soluble

ε=DQOi-DQOfDQOi=300-12.85300=0.957 (95.7%)

b) En base a la remoción total de DQO:

ε=DQOi-DQOf(total)DQOi=300-35300=0.883 (88.3%)

1. Volumen del Reactor

VR=y∙Q∙Θc∙So-Sx1+KdΘcVR=0.461 MGaldía8 día300 mgL-12.85 mgL2000 mgL1+0.06 día-1∙8 díaVR=0.36 MGal

2. Velocidad de Producción de Lodos o Tasa de producción de Lodos

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Flujo Másico de Lodos=Q∙x

La velocidad de producción de lodos tiene que ver con el rendimiento apartir del sustrato a biomasa y realmente a yobs:

yobs=y1+KdΘc=0.46 lb ce Célulaslb de sustrato1+0.06 día-1∙8 día=0.31 lb decélulaslb de sutrato consumido

Flujo Másico de Sutrato consumido=lb de sutrato consumidotiempo=Q∙So-SFlujo Másico de Sustrato Consumido=106Galdía∙300 mgL-12.85 mgL=2394.8lb sustratodíaFlujo de Microorganismos=yobs∙Flujo Másico de Sustrato Consumido=337.5 K de m/odía

3. Tasa de la purga de Biomasa, si esta se logra desde el reactor

Suponer: Si Qf = Qi

6.1. Tasa de purga de biomasa si esta se logra desde el reactor.Aquí se tiene x = xr (x en el reactor es igual a x de reciclo). LosSólidos que salen son 80% volátiles

Θc=VR∙xQw∙xr+Qf∙xf Θc=8 día dato del ProblemaΘc=0.36∙106Galdía∙2000 mgLQw∙2000 mgL+106Galdía∙19.5 mgL∙0.8Qw=0.037 MGaldía

6.2. Tasa de purga en la línea de recirculación

Θc=VR∙xQw∙xr-Qf∙xf 8 día=0.36∙106Galdía∙2000 mgLQw∙2000 mgL-106Galdía∙19.5 mgL∙0.8Qw=0.0116 MGaldía

6.3. Cantidad de Lodos en Exceso

i. Para la Purga de Lodos en el Reactor

Flujo Másico de Lodos en Exceso=Qpurga∙xr

Flujo másico de lodos en exceso=0.037 MGaldía2500 mgLFlujo Másico de Lodos en Exceso=776 lb m/odía

ii. Para la Purga de Lodos en la Línea del ReactorFlujo másico de lodos en exceso=0.0116MGaldía8000 mgLFlujo Másico de Lodos en Exceso=774lbmodía

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Nota: el exceso de lodos para cualquier sistema es igual, y el Θc estambién igual

1. Relación de Recirculación

Se tiene:Concentración de SSV en el reactor=2000 mgLConcentración de SSV en el retorno=6400mgL

Del balance General en el reactor

Qrxr=Qi+QrxQ=Qi+Qr

Reordenando la ecuación se obtiene:

QrQi=xxr-xQrQi=20006400-2000QrQi=0.45 (45%)

2. Tiempo de Retención en el reactorΘ=VQΘ=0.36 MGal1 MgaldíaΘ=0.36 día=8.6 hr

3. Tasa específica del sustrato

q=So-SΘ∙xq=300-12.85mgL0.36 día∙2000 mgLq=0.40 mg de DBO5mgL

4. Relación F/m

Fm=SoΘ∙xFm=300 mgL0.36 día∙2000 mgLFm=0.42 mg DBO5Lmg de m/oL

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Biotratamiento TODO

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