AIREADORES

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Aireación

La transferencia de oxígeno es fundamental para el tratamiento biológico de las aguas residuales.

El funcionamiento de los procesos biológicos tales como lodos activados, filtración biológica y digestión aeróbica dependen de la cantidad de oxígeno disponible.

Existen varios tipos de sistemas de aireación que dependen del tipo y geometría del reactor, los costos y el sistema de operación.

Los dos sistemas de aireación en las agua residuales son: introducción del aire u oxigeno puro al agua residual con difusores sumergidos o aparatos de aireación, o agitar el agua residual mecánicamente para promover la disolución del aire de la atmósfera

Transferencia de Oxígeno en Agua Limpia

Donde: KL es el coeficiente del film líquido

Ct es la concentración en el seno del líquido a tiempo t

Cs es la concentración en equilibrio con el gas

Co es la concentración inicial

Transferencia de Oxígeno en Agua Residual

En un sistema de lodos activados, el valor de KL puede ser estimado al considerar la toma de oxígeno por microorganismos. El oxígeno es mantenido a niveles de 1 a 3 mg/L y los microorganismos lo consumen tan pronto se le suministra.

Donde: C es la concentración de oxígeno en solución rM es la velocidad del oxígenos usado por los microorganismos

rM tiene valores de 2 a 7 g/d por gramo de sólidos suspendidos en el licor de mezclado (MLVSS). Si el nivel de oxígeno es constante dC/dt es cero y la ecuación es:

Efecto de la Temperatura en la Transferencia de Oxígeno

Donde: KL(T) es el coeficiente de transferencia de masa

del oxígeno a temperatura T (1/s) KL(20

oC) es el coeficiente de transferencia de masa

del oxígeno a 20oC, (1/s) Θ es el coeficiente de Arrhenius, valores de 1.05

a 1.040, típico 1.024

Aparatos para Aireación de Aguas Residuales

Equipos para Aireación por Difusión

Difusores Porosos

Eficiencia en la Transferencia de Oxígeno por Sistema de Difusión

Aireadores Mecánicos

Rangos de Transferencia de Oxígeno para Aireadores Mecánicos

Aireadores Mecánicos

Los aireadores mecánicos son diseñados en termino de su velocidad de transferencia de oxígeno expresado en Kg-h a condiciones estándar. Las condiciones estándar son 20oC, 0.0 mg/L de oxígeno disuelto. La eficiencia de transferencia de oxigeno se encuentra en el rango de 1.2 a 2.4 Kg O2/k-h.

Aireadores Mecánicos

La ecuación para corregir la velocidad de transferencia de oxígeno a condiciones reales es:

Donde:

N es Kg O2/KW-h transferido a condiciones reales

No es Kg O2/KW-h transferido al agua a 20oC y 0.0 mg/L de oxígeno disuelto

es el factor de corrección de tensión superficial-salinidad, 1

Cwat es la concentración de saturación de oxígeno para agua potable a una altitud y temperatura dada, mg/L

CL es la concentración de operación del oxígeno, mg/L

T es la temperatura en oC

es el factor de corrección de la transferencia de oxígeno en residuales

Valores de Cwalt en función de la Altitud

Valores de

Dimensiones de Tanques para Aireadores Mecánicos Superficiales

Postaireación

Para cumplir con los estándares de calidad de efluentes que permiten concentraciones de oxígeno disuelto de 5 a 8 mg/L. post aireación se puede realizar por aireación por cascada, aireación mecánica y aireación por difusión.

La ecuación para estimar la aireación por cascada es:

Donde: H es la altura en la que cae el agua, m R es la relación déficit a es el parámetro de calidad de agua igual a 0.8 para efluentes de PTAR b es el parámetro de geometría, para vertederos 1, por cascada 1.1 y

combinación de éstos 1.3 T es la temperatura del agua, oC Cs es la concentración de saturación del oxígeno disuelto a la temperatura T,

mg/L Co es la concentración del oxígeno disuelto en el afluente de postaireación,

mg/L C es la concentración de oxígeno requerida en el efluente de postaireación,

mg/L

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Remoción de VOCs por Aireación

Compuestos orgánicos volátiles como tricloroetileno y 1,2 dibromo-3-chloropropano (DBCP) han sido detectados en el agua residual. Los mecanismos que gobiernan su liberación al ambiente son volatilización y estrangulamiento de gas.

En la volatilización, los compuestos orgánicos son liberados porque ellos se separan entre la fase gaseosa y liquida hasta que la concentración en el equilibrio es alcanzada.

En el estrangulamiento del gas, la liberación de VOCs ocurre cuando un gas es introducido al agua residual, y los VOCs son transferidos al gas.

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Fuentes, Métodos de Liberación y Control de VOCs

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Propiedades Físicas de Compuestos Orgánicos Volátiles y Semi-volatiles

Velocidad de Transferencia de Masa de VOC

La ecuación de abajo permite relacionar los coeficientes de transferencia de masa en función de los coeficientes de difusión del VOC y el O2 en el agua:

Donde

  KLavoc es el coeficiente de transferencia de masa del

sistema (1/h) KLaO2 es el coeficiente de transferencia de masa del

oxígeno (1/h) Dvoc es el coeficiente de difusión del VOC en el agua

(cm2/s) DO2 es el coeficiente de difusión del oxigeno en el

agua (cm2/s) n es un coeficiente, 0.5 para columnas empacadas y

aireadores mecánicos; 1 para sistemas de aireación por difusión

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Consideraciones de Diseño para un Reactor Completamente Mezclado con Aireación

Superficial1. Velocidad de acumulación de VOC dentro del sistema

de fronteras = Velocidad de caudal de VOC dentro del sistema de fronteras - Velocidad de caudal de VOC fuera del sistema de fronteras + Cantidad de VOC removida a través del sistema de fronteras por desgasificación.

2. Acumulación = Afluente – Efluente + decrecimiento debido a la desgasificación

3.

Consideraciones de Diseño para un Reactor Completamente Mezclado con

Aireación Superficial

dC/dt es la velocidad de cambio de la concentración de VOC en el reactor

V es el volumen del reactor completamente mezclado, m3

Q es el caudal del liquido, m3/s

Ci es la concentración de VOCs en el afluente, µg/m3

Ce es la concentración de VOCs en el efluente, µg/m3

rvoc es la velocidad de transferencia de VOCs en µg/m3-h

Consideraciones de Diseño para un Reactor Completamente Mezclado con

Aireación Superficial En condiciones de estado estacionario, la

concentración de VOC que puede ser removido por la aireación superficial esta dado por:

Donde:

τ = V/Q

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Consideraciones de Diseño para un Reactor Completamente Mezclado con

Aireación por DifusiónCaudal de entrada en el liquido (QCi) = Caudal de Salida en

el liquido (QCe) + Caudal de Salida en el gas (QgCg,e)

Donde:

Q es el caudal del liquido, m3/s

Ci es la concentración de VOCs en el afluente, µg/m3

Ce es la concentración de VOCs en el efluente, µg/m3

Qg es el caudal del gas, m3/s

Cg,e es la concentración de VOCs en el gas, µg/m3

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Consideraciones de Diseño para un Reactor Completamente Mezclado con

Aireación por DifusiónLa expresión para la remoción de VOC por desgasificación en un liquido es:

Donde:

Hu es la constante de Henry sin dimensiones

Φ es la saturación de VOC

V es el volumen, m3

KLa es el coeficiente de transferencia de masa

Ci es la concentración de VOCs en el afluente, µg/m3

Ce es la concentración de VOCs en el efluente, µg/m3

Ejemplo

Una planta de tratamiento tiene una capacidad de 0.0483 m3/s y es aireada por difusión para remover tricloroetileno con 90% de eficiencia. El tiempo de detención del tanque es de 30 minutos. Evalué el sistema de aireación con la siguiente información:

T = 20oC

Ci = 131 µg/L

Hu = 0.412

KL = 44 (1/h)

Ejemplo

La siguiente información fue obtenida de un experimento de aireación superficial. Usando los datos de la tabla de abajo, determine los valores de KL a 20oC usando análisis de regresión lineal. La temperatura del agua es de 15oC.

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Ejemplo

Determine la cantidad de benceno que puede ser desgasificado en un reactor de lodos activados completamente mezclado equipado con un aireador por difusión. Asuma las siguientes condiciones: Caudal 4 000 m3/d Volumen del tanque de aireación 1000 m3

Profundidad del tanque 6 m Caudal de aire 50 m3/min Coeficiente de transferencia de masa de oxígeno 6.2/h Concentración del benceno en el afluente, 100 µg/m3

H es 5.49 x 10-3 m3-atm/mol n es 1 Temperatura es 20oC Difusividad del oxígeno es 2.11 x 10-5 cm2/s Difusividad del benceno es 0.96 x 10-5 cm2/s

Ejemplo

Calcule la altura de un sistema de aireación por cascada para una PTAR en un clima tropical donde la temperatura es de 25oC en el verano y 20oC en el invierno. El contenido de oxígeno en el afluente que entra al proceso de postaireación Co es 1 mg/L y la concentración final requerida de oxigeno disuelto es de 6 mg/L.