Diseño y construcción de un biorreactor de biodiscos para tratamiento de aguas residuales
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Diseño y construcción de un biorreactor de biodiscos
para tratamiento de aguas residuales
Monica Landavazo, Ana Luisa Lopez, Matilde Perez
Dep. Ing. Biotecnología, Universidad Politécnica de Q. Roo. Cancún Q. Roo, México.
ABSTRACT
Un biorreactor de biodiscos es utilizado para
procesos de aguas residuales, trabaja en un sistema
aerobio y continuo de preferencia aunque puede
trabajar en lote y ser anaerobios.
El biorreactor consta de un reactor que trabaja de
manera mecánica aunque si se requiere
dependiendo el empleo en específico de su uso,
podemos emplear el método mecánico-neumático,
esto se refiere a que puede trabajar con una fuerza
externa mecánica como lo es un motor y trabajar al
mismo tiempo con una bomba de aire, esto es para la
óptima aeración del método a tratar.
Los biodiscos estos son discos que deben estar
compuestos por dos bases rígidas para que den
soporte, este a su vez debe estar forrados por una
membrana que servirá como filtro a lo que está
contenido dentro del disco. Los biodiscos de
preferencia se deberán acondicionar con un material
poroso (roca volcánica, tepalcate, étc.) para su
función primordial que será la de obtener la mayor
cantidad de biomasa y microorganismos.
El diseño de biorreactores no es fácil ya que es a
mediante la cantidad y lo que se quiere producir
Nomenclatura
Ug [=] m/s Velocidad Superficial
Ast [=] m2 Área de Sección Transversal
Tm [=] s Tiempo de Mezclado
ε [=] Adimensional Gas Hold Up
hl [=] cm Altura del Líquido en Reposo
hl+g [=] cm Altura del Líquido más el Gas
ABSTRACT
A biodiscs biorreactor is using for Water Treatment
Residuals (WTR) process, with preference this
works in aerobic and continuous systems but
actually could work in batch and anaerobic systems.
The bioreactor consist a reactor who which works in
mechanic way if is necessary, that is all depends
about how we want to use it because we can use it in
mechanical-pneumatic way; so we use a motor with
an air pump in the same time and this get a better
aeration for the water in treatment.
The biodiscs are discs which should be made with
two rigid bases and are covered by a membrane
what works as a filter. Which preference the biodiscs
must be having inside a porous material (volcanic
stone, tepalcate, etc.) because this material gives the
primary function and that is to get inside of the
porous a microorganisms and biomass.
The bioreactor design is not easy because depends
of the quantity and what we want generate.
Nomenclature
Ug [=] m/s Superficial Gas Velocity
Ast [=] m2 Transversal Section Area
Tm [=] s Mixed-up Time
ε [=] Adimensional Hold Up Gas
hl [=] cm Resting Fluid Height
hl+g [=] cm Liquid Height plus the Gas
INTRODUCCIÓN
Las técnicas biológicas de tratamiento de aguas
residuales son muy antiguas y se vienen usando
desde hace aproximadamente cien años. De todos
los procesos que se han desarrollado para el
tratamiento de las aguas residuales el sistema
convencional de fangos activados ha sido el más
extendido. La tecnología de membrana, en un
principio, tenía limitado su uso y solamente se
empleaba como tratamiento de afino o terciario en el
proceso convencional. La microfiltración,
ultrafiltración y la ósmosis inversa se utilizaron en
áreas donde había requerimientos de vertido muy
rigurosos o donde se pretendía reutilizar el agua
depurada. Los factores principales que limitaron el
desarrollo de la tecnología de membrana fueron el
elevado coste de inversión y de operación y un
inadecuado conocimiento de las ventajas
potenciales de las membranas en el tratamiento de
las aguas residuales. Sin embargo, con la aparición
de módulos de membrana menos costosos y más
efectivos junto con el endurecimiento de los
requisitos de vertido la tecnología de membrana
volvió a cobrar interés. De forma genérica, los
biorreactores de membrana pueden ser definidos
como sistemas en los que se integra la degradación
biológica de los efluentes con la filtración de
membrana (Cicek et al. 1998b). No sólo se han
desarrollado numerosos estudios en plantas piloto
sino que en varias partes del mundo hay plantas a
escala real que utilizan tecnología MBR
Existen varias áreas de aplicación muy
prometedoras que están todavía en fase de
desarrollo y que requieren una mayor evaluación
experimental. Entre ellas se encuentra el
tratamiento de efluentes procedentes de actividades
ganaderas, aguas residuales de industrias
alimentarias, la eliminación de herbicidas y
pesticidas de las corrientes de aguas residuales y la
eliminación biológica de los nitratos.
BIODISCOS
El biodisco tiene un dispositivo para el tratamiento
de aguas residuales compuesto de discos grandes de
plástico colocados a corta distancia que rotan en
torno a un eje horizontal. Los discos se mueven
alternadamente en el agua residual y en el aire y
desarrollan un crecimiento biológico en sus
superficies.
- Un contactor biológico rotativo consiste en una
serie de discos circulares de poliestireno, o cloruro
de polivinilo, situados sobre un eje, a corta distancia
unos de otros.
- Los discos están parcialmente sumergidos en
el agua residual y giran lentamente en el seno de la
misma.
- En el funcionamiento de un sistema de este tipo, los
crecimientos biológicos se adhieren a las superficies
de los discos, hasta formar una película biológica
sobre la superficie mojada de los mismos.
- La rotación de los discos pone la biomasa en
contacto, de forma alternativa, con la materia
orgánica presente en el agua residual y con la
atmósfera, para la adsorción de oxígeno.
- La rotación del disco induce la transferencia
de oxígeno y mantiene la biomasa en condiciones
aerobias.
- La rotación también es el mecanismo de
eliminación del exceso de sólidos en los discos por
medio de los esfuerzos cortantes que origina y sirve
para mantener en suspensión los sólidos
arrastrados, de modo que puedan ser transportados
desde el reactor hasta el clarificador.
- Los biodiscos se pueden utilizar como tratamiento
secundario, y, también, se pueden emplear para la
nitrificación y desnitrificación estacionales o
permanentes.
- Se suelen proyectar basándose en factores de carga
desarrollados en estudios en planta piloto, y a partir
de datos deducidos de instalaciones a escala
industrial, aunque se puede aplicar el análisis
anteriormente presentado para el caso
de filtros percoladores.
- Tanto los criterios de carga hidráulica como
orgánica son aplicables al dimensionamiento de las
unidades para el tratamiento secundario.
- Las cargas para tiempo caluroso y para nitrificación
continua son considerablemente inferiores a las
correspondientes al tratamiento secundario.
- Correctamente dimensionados constituyen
sistemas muy fiables debido a la gran cantidad de
biomasa presente (relación de funcionamiento A/M
baja).
- Este hecho también les permite resistir mejor las
sobrecargas hidráulicas y orgánicas.
- La disposición por etapas en serie de este sistema
de flujo en pistón elimina los cortocircuitos y
amortigua las sobrecargas
OBJETIVO Diseñar un biorreactor de biodiscos apto para el tratamiento de aguas residuales tanto en sistema continúo como en lote, obtener que los biodiscos tenga un rango de 20 a 50 rpm y adaptarlos a las medidas para tratar 13 litros de agua residual. Construir un biorreactor apto y óptimo para su utilización en práctica para futuros experimentos y en aguas residuales obtenidas en la facultad. MATERIALES Y MÉTODOS Los métodos para el tratamiento de agua residual
suelen ser osmosis inversa, ultrafiltración,
microfiltración, tamizado, desarenado, oxidación de
sulfuros, homogeneización, etc., en su mayoría son
en sistemas biológicos por lo cual en este caso fue el
que se utilizó.
Los biodiscos es una manera de cómo usar agentes
biológicos como los microorganismos de la misma
agua residual a tratar para que esta agua en paso
continuo se vaya limpiando.
10cm
10cm
Piedra Pómez
Malla de plástico
Discos de plástico
Los Biodiscos
No existe una técnica en específica que diga cómo
construir los biodiscos, aunque en general los que
están hechos profesionalmente utilizan materiales
muy resistentes y aptos para estos y que claro no
contaminen o con un lapso del tiempo corto se
deshagan.
Para el diseño del biorreactor se utilizaron cálculos
matemáticos para obtener medidas precisas para la
cantidad que se quiere a tratar. Pero antes de
comenzar con los datos matemáticos estos fueron
los materiales para la construcción de este
biorreactor:
Pecera de 40.3cmx20cmx20cm
Bomba de agua
Bomba de aire
Dispersor
Impulsor
Base de madera
Instalación eléctrica (cable, apagador,
contacto, enchufe, etc.)
Instalación hidráulica (tubos PVC, llaves de
flujo, etc.)
Piedras pómez
Baleros
Varilla metálica
Malla de plástico (membrana)
Discos de plástico (10cm de diámetro)
Desagüe
Pintura en aerosol (Negra)
Mangueras
Tornillos de seguridad
Con los materiales anteriormente comentados y con
los cálculos matemáticos se tendrá la finalidad de
construir el biorreactor tanto en lote como para
continúo.
MEDIDAS Y CONSTRUCCIÓN
Para las medidas de la pecera en base a cálculos y
comprobándolo experimentalmente con 13 litros la
altura del agua será de 15cm, pero se considera una
altura de 20cm para la colocación de los biodiscos:
Los biodiscos están compuestos por la membrana
(malla de plástico agujerado), los discos de plástico
transparentes rellenos de piedra pómez, esta piedra
fue la más apta y accesible para trabajar con este
tipo de biorreactor. Los discos de plásticos fueron
perforados y costurados con hilo de plástico con la
membrana de plástico (ya que este no se corroe) y
fueron llenadas con las piedras.
Nota: los discos no tuvieron el mismo peso. Se
hicieron 4 discos para este biorreactor.
Los discos fueron del tamaño siguiente:
Listo los biodiscos proseguimos con la unión de la
partes del biorreactor, en el cual utilizamos una base
de madera para sostener el reactor la cual fue
manipulada para introducirle la instalación eléctrica,
ya hecho esto se fijó el reactor con pijas.
Al reactor para hacerle la instalación hidráulica se
necesitó perforar el lado izquierdo un circulo con un
diámetro de 1 pulgada para introducir el tubo de
salida, se le instalo al igual una tubo con un conducto
de entrada desde la madera para la alimentación,
este procedimiento que se hizo es para que el
biorreactor sea de flujo continuo.
V= 13L 15cm
40.3cm
20cm
20
c
m
Ats= 0.0806m2
Terminado esto se prosiguió en introducir y fijar los
biodiscos y una propela a la varilla de metal por el
cual se utilizan 2 baleros que serán sostenidos por
alambres para que la varilla quede bien puesta y gire
cuando sea impulsado por la bomba de agua y esta
haga girar a la propela.
Al final al biorreactor se instalará una bomba de
agua a su vez la manguera de esta estará fija en la
parte superior golpeando a la propela para que esta
gire y tenga su función primordial de proveer entre
20 a 50 rpm.
La bomba que se utiliza es de 1500 L/min y con esta
potencia se logró que los biodiscos giren teniendo
una medición constante de 40 rpm, tomando en
cuenta esto se hicieron las pruebas mecánicas y para
las pruebas neumáticas se utilizó una bomba de aire,
un dispersor y un rotámetro de los que se obtuvo los
siguientes resultados:
HIDRODINAMICA NEUMÁTICA
Grafica de la Tabla 1. Ug & ε
AST=0.0806 m2
Se Utilizó la fórmula para obtener el gas Hold Up (ε):
Grafica de la Tabla 2. Tm & Ug
HIDRODINAMICA MECÁNICA
Se realizaron mediciones de Tiempo de mezclado sin
flujo de aire con una bomba de agua de 1500 L/h, a
una revolución fija de 40 rpm calculada pr el número
de vueltas de los biodiscos por minuto, dando un
valor mínimo de tiempo de mezclado de 10
segundos.
El Flujo de agua al cual se llevó a cabo el
experimento fue de:
a 40 rpm
*La Ug a un flujo fijo de
a 40 rpm es de:
RESULTADOS
Se logró diseñar el Biorreactor de biodiscos
utilizando una bomba de agua de flujo de 1500 L/h,
con una velocidad de 40 rpm para un volumen de
13L de agua El Tiempo de mezclado mínimo fue de
10 segundos para una hidrodinámica mecánica cuya
Ug es de 0.31 m/s a una altura de 15 cm y a esa
misma altura se determinó la hidrodinámica
neumática de la Ug & ε y de la Ug & Tm.
CONCLUSIONES
El Biorreactor de discos diseñado para el
tratamiento de aguas residuales utilizando piedra
pómez, debido a su porosidad ayudará a la absorción
de los elementos presentes en las aguas residuales
para la limpieza de la misma. La presencia de flujo
de aire ayudará a la transferencia de biomasa. Se
requiere de modificaciones en el biorreactor con
ayuda posterior de experimentos que se lleven a
cabo en la Universidad Politécnica de Quintana Roo,
para un mejor rendimiento y cuidado del medio
ambiente.
BIBLIOGRAFIA:
-BRUCE. E, Ritmann, PERRY L. MC Carty.
Biotecnología del medio ambiente, principios y
aplicaciones. Editorial Mc Graw Hill. Sprint, 2001.
-MARIN A. GORGE E. Diseño y Construcción de un
Reactor de biodiscos. Universidad Nacional de
Colombia. 1995.
-http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_32.pdf
http://www.fcca.es/static_media/file_uploads/Intro
MBR.pdf