INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE LA MONTAA

INGENIERA AMBIENTAL

FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES

RESUMEN DE LA UNIDAD

UNIDAD 3. OPERACIONES UNITARIAS

DOCENTE: LETICIA ANGLICA FLORES PREZ

YANET GALINDO CANDIA

1

NDICE

INTRODUCCIN..02

3.1 DESBROZO..03

3.2 CRIBADO.03

3.3 DESARENADO....04

3.4 FLOTACIN07

3.5 SEDIMENTACIN.14

CONCLUSIN...17

FUENTE DE CONSULTA....19

REPORTE DE LA EXPOSICIN: FLOTACIN20

REPORTE DE LA PRCTICA DE SLIDOS SEDIMENTABLES.....33

REPORTE DEL BIORREACTOR..48

2

INTRODUCCIN

La seleccin de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie

de procesos de tratamiento dependen de un cierto nmero de factores,

entre los que se incluyen:

Caractersticas del agua residual: DBO, materia en suspensin, pH,

productos txicos.

Calidad del efluente de salida requerido.

Coste y disponibilidad de terrenos; p.ej. ciertos tratamientos

biolgicos (lagunaje, estanques de estabilizacin) son

econmicamente viables nicamente en el caso de que se

disponga de terrenos de bajo coste.

Consideracin de las futuras ampliaciones o la previsin de lmites de

calidad de vertido ms estrictos que necesiten en el diseo de

tratamientos mas sofisticados en el futuro.

Coste local del agua; p. ej. Ciertos tratamientos sofisticados (p.ej.

smosis inversa) podran justificarse en determinadas regiones en que

el coste del agua es elevado, y estaran fuera de lugar en regiones

de bajo coste del agua.

Los tratamientos de aguas residuales implican la reduccin de slidos en

suspensin o el acondicionamiento de las aguas residuales para su

descarga o bien en los receptores o para pasar un tratamiento secundario

a travs de una neutralizacin u homogeneizacin.

3.1 DESBROZO

Reduccin de slidos en suspensin de diferentes tamaos por medio del

uso de rejillas de operacin manual o mecnica. Los productos se

3

destruyen por incineracin o pueden ser tratados por digestin anaerobia,

o se dirigen directamente al vertedero.

Las materias slidas recogidas se suelen clasificar en finos y gruesos:

Rejillas de slidos finos.- Apertura de 5 mm o menos. Generalmente

estn fabricadas de malla metlica de acero, o en base a placas do

chapas de acero perforado y se usan muchas veces en lugar de

sedimentacin. Elimina del 5-25% de slidos y el 40-60% se elimina

por sedimentacin.

Rejillas o cribas de slidos gruesos.- Apertura de 4, 8 9 cm. Se usan

como elementos de proteccin para evitar que los slidos de

grandes dimensiones daen las bombas y otros equipos mecnicos.

A veces se utilizan trituradoras en lugar de las rejillas de gruesos. Estos

elementos rompen o desgarran los slidos en suspensin, que se eliminan

por sedimentacin.

3.2 CRIBADO

Tambin llamado desbrozo. Las aguas residuales llegarn por gravedad,

conducidas por el emisor, hasta el lugar donde ser construida la planta

de tratamiento de aguas residuales. Los materiales slidos y bastos, tales

como cscaras de fruta, harapos, palos, trozos de papel y madera que

frecuente e inexplicablemente encuentran su destino en el sistema de

alcantarillado, se separan pasando las aguas a travs de rejillas, hechas

con varillas de hierro paralelas. El propsito fundamental de los dispositivos

de cribado es proteger a las bombas y otros equipos electromecnicos y

prevenir el atascamiento de vlvulas. Por este motivo la primera operacin

que se lleva a cabo en el influente de agua residual es el cribado. El

emparrillado de las rejillas, que es su estructura funcional, est inclinado

4

con respecto al piso del canal donde se instalan y puede ser de dos tipos

generales: de limpieza manual y de limpieza mecnica.

3.3 DESARENADO

Los desarenadores se ubican despus de las rejillas. Cuando es necesario

bombear el influente de agua residual se recomienda localizar el crcamo

a continuacin de los desarenadores. El propsito de separar la arena del

material orgnico susceptible de putrefaccin es evitar depsitos de arena

en los tanques de aireacin, obstruccin de tuberas, desgaste de rastras

en sedimentadores, bombas, etc. El equipo mecnico y electromecnico

se desgasta con mayor rapidez debido a la arena. Durante la poca de

lluvias se arrastra gran cantidad de este material, por lo que es necesario

que su diseo considere el manejo eficiente del agua en esta poca, ya

que es cuando ms se requiere de los desarenadores.

Se disean para separar del agua partculas minerales de hasta 0.2 mm de

dimetro; sin embargo, existen restos de alimentos que tienen dimetro

grande, con velocidad de sedimentacin semejante a la de la arena, por

5

lo que el material extrado del desarenador contiene partculas orgnicas y

debe manejarse adecuadamente para prevenir o atenuar el mal olor.

La forma convencional de separar arena es utilizando los equipos de

sedimentacin. Otra posibilidad es la utilizacin de hidrociclones. Un

modelo fue fabricado por Dorr-Oliver Inc., con el nombre comercial de

DorrClone.

Las ciclones DorrClone son separadores liquido/slido. Utilizando la energa

suministrada por la bomba de alimentacin, la fuerza centrifuga separa

materiales con diferentes especficos. El cicln consiste en un cuerpo

esttico cilndrico/cnico, con una alimentacin tangencial en la seccin

cilndrica superior. La descarga del liquido est situada en la parte superior

del eje de la maquina, y los slidos se descargan en la parte opuesta

inferior.

Al entrar el agua residual en la cmara cilndrica, tangencialmente, se

establece un flujo espiral o de vrtice. Las fuerzas centrifugas lanzan la

arena sobre las paredes del cono, donde los slidos van deslizndose

hacia el punto de salida inferior. El agua residual, libre ya de arena, ms

ligera (contiene todava los slidos orgnicos o fraccin ligera) circula

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hacia el centro del vrtice y sale por la parte superior. Los DorrClones ms

usados en el tratamiento de aguas residuales son de dimetros que oscilan

entre 30 y45 cm de dimetro en la seccin cilndrica. Cuando el caudal

excede la capacidad de una unidad, se disponen varias instalaciones en

paralelo.

La arena recogida en la parte inferior del cicln entra en un clasificador

rascador, diseado para hacer un lavado y eliminar el agua de la arena

recogida. En esta fase se separan los materiales biodegradables que han

salido acompaando la arena, y se elimina el agua en ella contenida para

poder ser ms fcilmente transportada al punto de vertido. El clasificador

de rasquetas consiste en un tanque, un rascador y el accionamiento del

mismo.

El tanque es rectangular con el fondo inclinado. En el extremo superior se

descarga la arena. El extremo inferior, donde se derrama el fango, est

cerrado parcialmente con un vertedero ajustable que regula el

rebosamiento del lquido. La alimentacin se hace por la parte superior de

la cmara de sedimentacin. El mecanismo de rastrillo consta de varias

paletas operadas mecnicamente, y sometidas a un movimiento de

vaivn, estando soportado todo el sistema en ambos extremos de la

instalacin, todo ello movido por un cabezal. Dicho cabezal est movido

a travs de un sistema de engranajes, por un motor elctrico, con un

transmisor por correa o reductor.

El lodo que se introduce en la alimentacin se separa rpidamente en dos

fracciones: los finos, material que se sedimenta lentamente (en su mayora

materia orgnica), inferiores a la malla de separacin; y la parte ms

gruesa, de sedimentacin rpida, y que denominamos arena, de mayor

tamao que la malla de separacin. La fraccin fina se mantiene en

suspensin debido a su diferente peso especifico y a la agitacin

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producida por el movimiento de vaivn de las paletas del rastrillo. No

siendo posible su sedimentacin, los finos pasan con el lquido por el

rebosadero. La fraccin ms gruesa, por otra parte, se hunde rpidamente

hacia el fondo y es arrastrada por las paletas del rastrillo.

La arena sedimentada avanza hacia arriba por el fondo inclinado del

tanque. El movimiento de vaivn de las paletas del rastrillo transporta los

granos de arena, y separa los finos de menor tamao de los materiales

gruesos, y los mantienen en suspensin hasta que salen con el rebose.

Las partculas ms gruesas se separan por encima del nivel del lquido,

siendo finalmente descargadas por la ltima de las paletas

3.4 FLOTACIN

La flotacin es un proceso de clarificacin primaria particularmente

efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y

con gran contenido de algas.

El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que

los slidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la

superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado.

La flotacin es un proceso para separar slidos de baja densidad o

partculas lquidas de una fase lquida.

La separacin se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en

la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un

proceso de presurizacin para alcanzar una presin de funcionamiento

que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o

conseguir la saturacin en aire del agua.

Luego este lquido saturado de aire se somete a un proceso de

despresurizacin llevndolo hasta la presin atmosfrica por paso a travs

8

de una vlvula reductora de presin. En esta situacin, y debido a la

despresurizacin se forman pequeas burbujas de aire que se desprenden

de la solucin.

Los slidos en suspensin o las partculas liquidas (por. Ej.: aceites o

petrleo) flotan, debido a que estas pequeas burbujas, asocindose a los

mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie.

Los slidos en suspensin concentrados pueden separarse de la superficie

por sistemas mecnicos. El lquido clarificado puede separarse cerca del

fondo, y parte del mismo puede reciclarse.

En la flotacin interviene la diferencia entre la masa volumtrica de los

slidos o flculos y la del lquido en que se encuentran en suspensin. Sin

9

embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantacin, este proceso

de separacin slidolquido nicamente se aplica a partculas que tienen

una masa volumtrica real (flotacin natural) o aparente (flotacin

provocada) inferior a la del liquido que la contiene.

En el campo de la depuracin del agua, o del tratamiento de los fangos

procedentes de la depuracin del agua, se interesa, por seleccionar,

ciertas materias de la suspensin con relacin a otras. Si se deseara esta

seleccin, el valor de los productos separados no justificara,

generalmente, el costo de reactivos colectores o depresores.

La flotacin puede ser natural cuando la masa volmica de las partculas

que se quiere eliminar es inferior a la del agua.

La flotacin provocada se produce por la fijacin artificial de burbujas de

aire o de gas sobre las partculas a eliminar, confirindoles as una masa

volmica media inferior a la del agua. Por un fenmeno semejante,

aunque no deseable, la costra que se forma en los digestores puede

presentar contenidos en materia seca del 20 al 40% mientras que la masa

volmica del fango es solo de 0.8 0.7 kg/l.

Se observa, a veces, un espesamiento natural por flotacin debido a una

fermentacin, sobre grandes depsitos de fangos orgnicos situados en

zonas despobladas.

SISTEMAS DE FLOTACIN

Cualquier sistema de flotacin debe presentar las siguientes caractersticas:

a) Generacin de bolas de tamao apropiado en relacin con las

partculas que se desea remover.

b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partculas en

suspensin.

10

c) Separacin adecuada del material flotante.

La flotacin puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a

travs del proceso electroltico y por aire disuelto, cuyas caractersticas

principales son:

FLOTACIN NATURAL.- Se emplea frecuentemente una flotacin

natural para el predesaceitado de aguas de refineras, laminacin,

etc. Con aguas de refinera no cargadas en productos parafnicos u

otros desechos voluminosos, pueden disponerse en el desaceitador

una serie de placas paralelas inclinada espaciadas algunos

centmetros.

FLOTACIN MECNICA.- Consiste en una dispersin mecnica de

burbujas de aire de 0.1 a 1 mm de dimetro, se utiliza especialmente

para la separacin y concentracin, por formacin de espuma de

los minerales.

La suspensin as acondicionada se introduce en el centro de un

rotor que gira a gran velocidad y que igualmente aspira aire. Las

burbujas de aire finamente divididas, aparecen durante la impulsin

de la emulsin a travs de una jaula que rodea el rotor.

FLOTACIN POR AIRE DISPERSO.- En estos sistemas usualmente se

emplean rotores que promueven, simultneamente, dispersin,

aereacin y agitacin de la suspensin, con produccin de bolas de

aire que tienen cerca de un m de dimetro. Es posible, tambin, el

uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque las bolas

resultan con un dimetro mayor (~50 m). La flotacin por aire

disperso comnmente es utilizada en la industria minera.

Ejemplos de aplicacin

Tratamiento industrial de aguas.

11

Industria papelera.

Industria alimentaria.

Refineras de petrleo.

Industria de plsticos.

Tratamiento de aguas residuales urbanas.

Decantacin secundaria cuando el lodo activado tiene malas

propiedades de sedimentacin.

Complemento o sustitucin de la decantacin primaria.

FLOTACIN ELECTROLTICA.- La oxidacin andica del ion clorato de

una suspensin con pH alrededor de 7,5 con produccin de ion

hipoclorito y oxgeno ha sido investigada como unidad de

generacin de las bolas en la flotacin de suspensiones en las que

fueron usados cloruro frrico como coagulante primario y polmero

orgnico como auxiliar de floculacin. Este sistema requiere

investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la

calidad del agua por tratar.

FLOTACIN POR INYECCIN DE AIRE.- Flotacin natural mejorada por

inyeccin, en el seno de la masa liquida, de burbujas de aire de

algunos milmetros de dimetro. Se utilizan, cuerpos porosos, o en el

caso de lquidos muy cargados, difusores de burbujas de tamao

medio, dispuestos de forma que provoquen turbulencias locales que

favorecen la divisin de las burbujas de aire. El tamao de las

burbujas debe ser suficientemente pequeo para que puedan

adherirse a las partculas que deben flotar.

En la instalaciones destinadas a la eliminacin de materias ligeras

(gruesas, aceites espesos, fibras gruesas, papeles, etc), se prevn,

generalmente, dos zonas, una de agitacin y emulsin, y otra, en

calma, de flotacin propiamente dicha.

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En la zona de emulsin, la suspensin se agita y se mezcla con el aire.

El recorrido de las burbujas de aire aumenta por el movimiento en

espiral creado por la agitacin.

En la zona de separacin y de recogida de las materias flotantes, el

caudal es muy pequeo y por consiguiente, la turbulencia muy

reducida.

FLOTACIN POR AIRE DISUELTO.- La flotacin por aire disuelto ha sido

uno de los procesos ms estudiados en el tratamiento de las aguas

residuales. Actualmente, tambin ha sido muy investigado en el

tratamiento de aguas de abastecimiento.

CMARA DE FLOTACIN

La cmara de flotacin puede ser de seccin rectangular o circular.

Cmaras rectangulares. Es recomendable la instalacin de una

pantalla con un ngulo de inclinacin de 60 con la horizontal y con

30 a 50 cm de largo.

El ancho de la cmara depende del tipo de equipo usado para el

raspado del material flotante y rara vez excede de 8 metros.

El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las

situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el

segundo, hay deposicin de material flotante. La profundidad vara entre 1

13

y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribucin de

agua presurizada en el interior de la cmara de flotacin.

Cmara de flotacin circular. La mezcla de agua presurizada con el

agua por clarificar se hace en un punto prximo a la entrada de la

cmara de flotacin, que en el centro posee un ducto tambin

circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar

cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia

una o ms canaletas de coleccin. Mientras el agua hace un

movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro

intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia

del cilindro externo.

La cmara de flotacin, independientemente de la forma que tenga, es

proyectada para un tiempo medio de retencin comprendido entre 10 y

20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d.

La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen

tanto en el tiempo de retencin como en la tasa de escurrimiento

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superficial, razn por la cual es fundamental realizar una investigacin

antes de elaborar el proyecto definitivo.

3.5 SEDIMENTACIN

La sedimentacin se utiliza en los tratamientos de aguas residuales para

separar slidos en suspensin de las mismas.

La eliminacin de las materias por sedimentacin se basa en la diferencia

de peso especfico entre las partculas solidas y el liquido donde se

encuentran, que acaba en el depsito de las materias en suspensin.

En algunos casos, la sedimentacin es el nico tratamiento al que se

somete el agua residual. La sedimentacin puede producirse en una o

varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una

planta tpica de lodos activos, la sedimentacin se utiliza en tres de las

fases de tratamiento:

1. En los desarenadores, en los cuales la materia inorgnica (arena, a

veces) se elimina del agua residual.

2. En los clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden al

reactor biolgico, y en la cual los slidos (orgnicos y otros) se

separan.

3. En los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen al

reactor biolgico, en los cuales los lodos del biolgico se separan del

efluente tratado.

TIPOS DE SEDIMENTACIN

Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de

sedimentacin, dependiendo de la naturaleza de los slidos presentes en

suspensin.

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Sedimentacin discreta. Las partculas que se depositan mantienen

su individualidad, o sea, no se somete a un proceso de coalescencia

con otras partculas. En este caso, las propiedades fsicas de las

partculas (tamao, forma, peso especifico) no cambian durante el

proceso. La deposicin de partculas de arena en los desarenadores

es un ejemplo tpico de sedimentacin discreta.

Sedimentacin con floculacin. La aglomeracin de las partculas va

acompaada de cambios en la densidad y en la velocidad de

sedimentacin o precipitacin. La sedimentacin que se lleva a

cabo en los clarificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo

de este proceso.

Sedimentacin por zonas. Las partculas forman una especie de

manta que sedimenta como una masa total presentando una

interfase distinta con la fase liquida. Ejemplos de este proceso

incluyen la sedimentacin de lodos activos en los clarificadores

secundarios y la de los flculos de alumina en procesos de

tratamientos de aguas.

TEORA DE LA SEDIMENTACIN DISCRETA

El fundamento para la sedimentacin de partculas discretas es la ley de

Newton, que se basa en la suposicin de que las partculas son esfricas

con dimetros homogneos. Cuando una partcula se sedimenta, va

acelerndose hasta que las fuerzas que provocan la sedimentacin, en

particular el peso efectivo de la partcula, se equilibran con las resistencias

o fuerzas de friccin ofrecidas por el lquido. Cuando se llega a este

equilibrio, la partcula alcanza una velocidad de sedimentacin constante,

denominada velocidad final de sedimentacin de la partcula.

16

CONCEPTO DE TANQUE DE SEDIMENTACIN IDEAL

Este concepto desarrollado pro Hazen, es la base para poder llegar a

relaciones utilizadas en el diseo de tanques de sedimentacin. El modelo

seleccionado para un sedimentadores el de seccin rectangular

consistente en cuatro zonas:

Zona de entrada. En el cual el flujo puede considerarse laminar. Se

supone que en el lmite de esta zona (siguiendo la lnea vertical xt)

las partculas se distribuyen uniformemente segn la seccin de

entrada.

Zona de sedimentacin. Se supone que la partcula deja de estar en

suspensin cuando llega al fondo de esta zona (lnea horizontal ty).

Zona de salida. El agua residual se recoge aqu antes de su paso al

tratamiento posterior.

Zona de lodos. Esta zona es la reservada para la retirada de los

lodos.

17

CONCLUSIN

El agua residual contiene una variedad de slidos de distintas formas,

tamaos y densidades.

Para removerlos se requiere una combinacin de las operaciones unitarias:

cribado, desmenuzado y sedimentacin. Los elementos de la planta de

tratamiento que corresponden al subsistema primario son los siguientes:

1. Emisor de llegada.

2. Elementos preparatorios:

a) Rejillas (o desmenuzador) para separar (o reducir) el

material basto.

b) Desarenadores para separar la arena.

c) Vertedor, medidor o canal de aforo.

d) Tanque de igualacin para amortiguar las variaciones

de las descargas de aguas residuales con el fin de tratar un

gasto uniforme.

3. Tanques de sedimentacin primaria para separar los slidos

suspendidos.

Los emisores son la parte de la red de alcantarillado que conducen el

agua residual a la planta de tratamiento, y de sta al sitio de vertido final.

Los emisores se disean para operar a gravedad o a presin, decisin que

depende de las condiciones particulares de cada proyecto.

El gasto de diseo de los emisores es el gasto mximo extraordinario de

proyecto, en el tramo comprendido entre la red y la planta de

tratamiento, y el gasto del efluente tratado para el tramo existente entre la

planta y el sitio de vertido final.

La parte del emisor que conduce el efluente de agua residual tratada

puede ser un canal a cielo abierto, pero aparte del emisor que conduce

18

el influente de agua residual cruda es una tubera, comnmente de

concreto, que slo se encontrar totalmente inundada durante o

inmediatamente despus de una precipitacin pluvial.

Las operaciones para eliminar los objetos grandes y la arena, junto con la

medicin del gasto, son denominadas frecuentemente tratamiento

preliminar, y son una parte integral del tratamiento primario.

19

FUENTE DE CONSULTA

R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edicin revisada,

edit. Revert, S.A. Cp. 3.

Degremont, Manual tcnico del agua. 4 edicin. Seguda parte.

Proceso y aparatos de tratamiento

Csar Valdez, Enrique, Vzquez Gonzlez Alba B. Ingeniera de los

sistemas de tratamiento y disposicin de aguas residuales. Fundacin

ICA. unidad 2. Tratamiento primario.

Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE

TRATAMIENTO, consultado en

http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom

oI/tres.pdf

Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO 8. FLOTACIN, consultado en

http://www.bvsde.ops-

oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf

Tratamientos de aguas, procesos mecnicos, consultado en

http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf

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REPORTE DE EXPOSICIN DE FLOTACIN

INTRODUCCIN

La flotacin es un proceso para separar slidos de baja densidad o

partculas lquidas de una fase lquida.

La separacin se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en

la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un

proceso de presurizacin para alcanzar una presin de funcionamiento

que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o

conseguir la saturacin en aire del agua.

Luego este lquido saturado de aire se somete a un proceso de

despresurizacin llevndolo hasta la presin atmosfrica por paso a travs

de una vlvula reductora de presin. En esta situacin, y debido a la

despresurizacin se forman pequeas burbujas de aire que se desprenden

de la solucin.

Los slidos en suspensin o las partculas liquidas (por. Ej.: aceites o

petrleo) flotan, debido a que estas pequeas burbujas, asocindose a los

mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie.

Los slidos en suspensin concentrados pueden separarse de la superficie

por sistemas mecnicos. El lquido clarificado puede separarse cerca del

fondo, y parte del mismo puede reciclarse.

21

FLOTACIN

La flotacin es un proceso de clarificacin primaria particularmente

efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y

con gran contenido de algas.

El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que

los slidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la

superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para

mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotacin.

Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites,

turbiedad y color. Los agentes de flotacin empleados son sustancias

espumantes y microburbujas de aire.

Consiste en la separacin de las partculas naturales presentes en el agua

cruda, coaguladas o floculadas, mediante el uso de sales de aluminio o de

hierro y de polmeros.

Los slidos cuya densidad es aproximadamente igual o menor que la del

agua, no se pueden separar por sedimentacin. Tales slidos se

sedimentaran slo muy lentamente o permaneceran en suspensin.

El objetivo de la flotacin es aumentar el empuje ascensional de los slidos.

Esto se logra mediante la generacin de burbujas de gas finas. Las

burbujas de gas se adhieren a los slidos y los transportan a la superficie del

agua, desde donde se pueden retirar los slidos flotados. Condicin para

ello es que los slidos sean hidrfobos, es decir, que sean ms afines al aire

que al agua. Los slidos separados reciben el nombre de flotantes. El factor

clave para la flotacin es el tamao de las burbujas de gas. Cuantas ms

22

pequeas son, tanto menor es su velocidad de ascensin. Esto se

compensa por el hecho de que las burbujas de gas pequeas se adhieren

a los slidos en mayor nmero que las burbujas grandes.

El principal mtodo usado en tratamiento de aguas es la flotacin por aire

disuelto. Otra variante del mtodo es la electroflotacin. Ambos

procedimientos se diferencian principalmente en la forma de produccin

de las burbujas de gas.

La flotacin por aire disuelto

La flotacin por aire disuelto se basa en que la solubilidad del aire en agua

aumenta con la presin (a temperatura constante). En este sistema, una

corriente parcial del agua depurada (agua de circulacin) se satura con

aire a presin. El agua de circulacin se retorna al depsito de flotacin a

travs de una vlvula de reduccin de presin. La reduccin brusca de la

presin a la presin atmosfrica provoca que el aire disuelto forme

pequeas burbujas. Un rascador retira la espuma flotante de la superficie

del agua. Para mejorar la flotabilidad de los slidos se aaden

frecuentemente coagulantes y floculantes al agua bruta.

Con esto se forman partculas slidas de mayor tamao a las que se

pueden adherir ms burbujas de aire.

23

Ejemplos de aplicacin

Tratamiento industrial de aguas.

Industria papelera.

Industria alimentaria.

Refineras de petrleo.

Industria de plsticos.

Tratamiento de aguas residuales urbanas.

Decantacin secundaria cuando el lodo activado tiene malas

propiedades de sedimentacin.

Complemento o sustitucin de la decantacin primaria.

En la flotacin interviene la diferencia entre la masa volumtrica de los

slidos o flculos y la del lquido en que se encuentran en suspensin. Sin

embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantacin, este proceso

de separacin slidolquido nicamente se aplica a partculas que tienen

una masa volumtrica real (flotacin natural) o aparente (flotacin

provocada) inferior a la del liquido que la contiene.

En la flotacin provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas

partculas slidas o lquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente,

aire) y formar conjuntos partculagas menos densos que el lquido que

constituye la fase dispersa.

La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arqumedes, fuerza de

resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos

partcula gas que se concentran en la superficie libre del lquido.

Para que sea factible la flotacin de partculas slidas o lquidas ms

densas que el lquido, es preciso que la adherencia de las partculas a las

burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto

entre las partculas y el lquido. Este contacto entre un slido y un lquido se

24

determina mediante la medida del ngulo formado por la superficie del

slido y la burbuja de gas.

Si = 0, el contacto entre el slido y el lquido se realiza de forma perfecta;

es imposible la adherencia slido-gas.

Si = 180, el contacto entre el slido y el lquido es nulo; es ptimo el

contacto slido-gas. Se trata de un caso lmite que nunca se da en la

prctica, puesto que ningn lquido da un ngulo mayor de 110 (caso

del mercurio).

Entre estos dos valores, la adherencia partculagas aumenta con el valor

del ngulo . Puede considerarse este tipo de flotacin de una partcula

en el caso de partculas slidas o lquidas (aceites) que tienen una forma

relativamente simple y una naturaleza conocida. En el caso de partculas

floculadas, a los fenmenos de superficie se suman las adherencias

mecnicas ligadas a la estructura de los flculos, especialmente

inclusiones de gas en los flculos.

El ngulo se puede aumentar mediante el uso de sustancias tensoactivas

que forman una pelcula hidrfoba alrededor de las partculas. Tales

sustancias poseen en sus molculas una parte no polar (hidrfoba) que es

25

atrada por las burbujas de aire en ascensin y otra polar (hidrfila), que es

atrada por la fase dispersa. El empleo de sustancias espumantes tambin

ha sido recomendado para formar una mezcla ms estable de burbujas y

partculas: tales sustancias tienen, adems, la propiedad de reducir el

tamao de las bolas de aire, aumentando la superficie especfica de las

mismas, para proporcionar mayor capacidad de absorcin y tiempo de

contacto, ya que bolas de aire pequeas poseen menores velocidades

ascensionales.

Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partculas

pueden resultar de las siguientes acciones:

a) Colisin entre la bola y la partcula, debido a turbulencia o a

atraccin entre ambas

b) Aprisionamiento de las bolas contra los flculos o contacto entre los

flculos que estn sedimentando y las bolas de aire en ascensin.

c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flculos. Cuando se tienen

partculas hidroflicas, los mecanismos b y c parecen ser los

responsables de la eficiencia de la flotacin, en tanto que el

mecanismo a parece predominar en la obtencin de una ligazn

ms estable entre las bolas de aire y las partculas, las cuales

requieren un cierto grado de hidrofobia.

SISTEMAS DE FLOTACIN

Cualquier sistema de flotacin debe presentar las siguientes caractersticas:

d) Generacin de bolas de tamao apropiado en relacin con las

partculas que se desea remover.

e) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partculas en

suspensin.

f) Separacin adecuada del material flotante.

26

La flotacin puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a

travs del proceso electroltico y por aire disuelto, cuyas caractersticas

principales son:

Flotacin por aire disperso

En estos sistemas usualmente se emplean rotores que promueven,

simultneamente, dispersin, aereacin y agitacin de la suspensin, con

produccin de bolas de aire que tienen cerca de un m de dimetro. Es

posible, tambin, el uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque

las bolas resultan con un dimetro mayor (~50 m). La flotacin por aire

disperso comnmente es utilizada en la industria minera.

Flotacin electroltica

La oxidacin andica del ion clorato de una suspensin con pH alrededor

de 7,5 con produccin de ion hipoclorito y oxgeno ha sido investigada

como unidad de generacin de las bolas en la flotacin de suspensiones

en las que fueron usados cloruro frrico como coagulante primario y

polmero orgnico como auxiliar de floculacin. Este sistema requiere

investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad

del agua por tratar.

Flotacin por aire disuelto

La flotacin por aire disuelto ha sido uno de los procesos ms estudiados

en el tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, tambin ha sido

muy investigado en el tratamiento de aguas de abastecimiento.

Hay tres tipos bsicos de sistemas de flotacin:

27

a) Con presurizacin parcial del afluente;

b) Con presurizacin total del afluente;

c) Con presurizacin de la recirculacin.

28

Entre los tipos de flotacin, aquella con presurizacin de la recirculacin es

la ms aconsejable en el tratamiento de las aguas, pues los flculos

podran romperse en la bomba.

CMARA DE FLOTACIN

La cmara de flotacin puede ser de seccin rectangular o circular.

Cmaras rectangulares. Es recomendable la instalacin de una

pantalla con un ngulo de inclinacin de 60 con la horizontal y con

30 a 50 cm de largo. El ancho de la cmara depende del tipo de

equipo usado para el raspado del material flotante y rara vez

excede de 8 metros.

El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las

situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el

segundo, hay deposicin de material flotante. La profundidad vara entre 1

y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribucin de

agua presurizada en el interior de la cmara de flotacin.

Cmara de flotacin circular. La mezcla de agua presurizada con el

agua por clarificar se hace en un punto prximo a la entrada de la

29

cmara de flotacin, que en el centro posee un ducto tambin

circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar

cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia

una o ms canaletas de coleccin. Mientras el agua hace un

movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro

intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia

del cilindro externo.

La cmara de flotacin, independientemente de la forma que tenga, es

proyectada para un tiempo medio de retencin comprendido entre 10 y

20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d.

La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen

tanto en el tiempo de retencin como en la tasa de escurrimiento

superficial, razn por la cual es fundamental realizar una investigacin

antes de elaborar el proyecto definitivo.

30

PRETRATAMIENTO

La eficiencia de la flotacin depende del pretratamiento realizado y este,

a su vez, est relacionado con la calidad del agua cruda. La realizacin

de investigaciones piloto, aunque no sean de escurrimiento contino,

pueden proporcionar informacin fundamental en cuanto al tipo de

coagulante primario, la dosis y el pH de coagulacin, el tipo y la dosis de

polmero. Adems de la mezcla rpida, un tiempo de floculacin

comprendido entre 5 y 20 minutos puede ser necesario para que los

flculos alcancen un tamao de 0,5 y 1 mm, considerado ideal para la

flotacin.

El enriquecimiento que se puede lograr a travs de la flotacin depende

de la selectividad de los reactivos colectores, depresores y activadores. Los

reactivos colectores se encargan de convertir la superficie de las partculas

en hidrofbicas, por lo tanto se requiere de la seleccin de un colector que

tenga la capacidad de modificar superficialmente tan slo las partculas

de la especie de inters.

Si existen partculas de especies superficialmente afines, que no permiten

una selectividad adecuada del colector (como es el caso de la

separacin de especies sulfurosas), se deben utilizar depresores que

interacten selectivamente sobre una de las especies de tal forma que

cuando la partcula que contiene el depresor en su superficie entre en

contacto con el colector este no interactu sobre ella.

31

CONCLUSIN

La flotacin es uno de los procesos ms selectivos para la separacin de

especies sulfurosas, y de Plomo- zinc y cobre zinc.

La flotacin surgi a partir del proceso de separacin en medios densos, ya

que la dificultad para la obtencin de fluido con algunas densidades

particulares oblig a la utilizacin de modificadores de superficie, con el fin

de mejorar la selectividad del proceso.

Estos modificadores permiten convertir selectivamente en hidrofbica la

especie a separar, de tal forma que ante la presencia de un medio

constituido por agua y aire (burbujas), la especie hidrofbica rechace el

agua y se adhiera a las burbujas de aire que ascienden hacia la superficie

del lquido.

El proceso de flotacin se lleva a cabo en celdas de poseen mecanismos

de agitacin y dispositivos de inclusin de aire a la pulpa o al lquido de

separacin. La agitacin favorece la separacin y suspensin de las

partculas, mientras que la inclusin de aire promueve la formacin de

burbujas. La modificacin selectiva de las partculas a separar se obtiene

mediante la adicin de colectores, depresores y activadores. La

estabilidad de las burbujas de aire, necesarias para evitar que estas se

destruyan antes de llegar a la superficie del medio de separacin, se logra

mediante la adicin de espumantes. La selectividad en la modificacin

superficial de las partculas a separar se obtiene mediante la adicin de

modificadores de pH, lo que favorece que algunos colectores se adhieran

fcilmente a las especies ms hidrofbicas.

32

FUENTE DE CONSULTA

R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edicin revisada,

edit. Revert, S.A. Cp. 3.

Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE

TRATAMIENTO, consultado en

http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom

oI/tres.pdf

Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO 8. FLOTACIN, consultado en

http://www.bvsde.ops-

oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf

Tratamientos de aguas, procesos mecnicos, consultado en

http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf

Universidad, facultad de ingeniera, Flotacin, consultado en

http://ingenieria.udea.edu.co/cim2005/mineralurgia/flotacion.pdf

33

REPORTE DE LA PRCTICA DE SLIDOS

SEDIMENTABLES

INTRODUCCIN

Las aguas naturales, residuales o residuales tratadas con altos contenidos de

slidos sedimentables no pueden ser utilizadas en forma directa por las industrias

o las plantas potabilizadoras. De ello se deriva el inters por determinar en forma

cuantitativa este parmetro.

La sedimentacin es, en esencia, un fenmeno netamente fsico y constituye uno

de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su

clarificacin. Cuando se produce sedimentacin de una suspensin de partculas,

el resultado final ser siempre un fluido clarificado y una suspensin ms

concentrada. Las partculas en suspensin sedimentan en diferente forma,

dependiendo de las caractersticas de las partculas, as como de su

concentracin.

La materia sedimentable se define como la cantidad de slidos que en un tiempo

determinado se depositan en el fondo de un recipiente en condiciones estticas. El

mtodo propuesto es volumtrico.

34

MATERIALES

o Frasco de polietileno o vidrio con una capacidad mnima de 1L, con tapa.

o Cono de sedimentacin tipo Imhoff de vidrio o plstico;

o Bases para conos Imhoff;

o Agitador largo de vidrio (traer una varilla delgada para la agitacin).

o Cronmetro.

o Potencimetro.

PROCEDIMIENTO

1. Se colecta un volumen de 2L, con un frasco de polietileno con tapa.

2. No se recomienda la adicin de agentes preservadores. Transportar

la muestra y mantenerla en refrigeracin hasta realizar el anlisis.

La muestra debe estar a temperatura ambiente al momento del

anlisis.

35

3. Etiquetar la muestra con:

Los nombres y ttulos de los analistas que ejecutaron los anlisis y

el encargado de control de calidad que verifico los anlisis.

Las bitcoras manuscritas del analista y del equipo en los que se

contengan los siguientes datos: Identificacin de la muestra, fecha

del anlisis, procedimiento cronolgico utilizado, cantidad de

muestra utilizada, nmero de muestras de control de calidad

analizadas.

4. Colocar la muestra bien mezclada en un cono imhoff hasta la marca

de 1L. Dejar sedimentar 45 min (contar intervalos de tiempo cada

10 min). Una vez transcurrido este tiempo agitar suavemente a los

lados del cono con un agitador o mediante rotacin, mantener en

reposo 15 min ms. Registrar en todo momento los slidos

sedimentables en mL/L.

36

RESULTADOS Y ANLISIS DE RESULTADOS

Antes de la determinacin de slidos sedimentables se determin la temperatura y

el pH de la muestra de agua residual.

NOTA: La muestra estuvo en refrigeracin posterior a su toma.

Parmetro Resultado

pH 7.36

Temperatura 19

Durante la prctica de determinacin de slidos sedimentables en agua residual

se obtuvieron los siguientes resultados en cuanto al tiempo de sedimentacin y los

ml de slidos sedimentados.

El color del agua residual era caf:

37

Los resultados de acuerdo a los 45 minutos de sedimentacin en la muestra y con

medicin cada 10 minutos son:

Tiempo en

minutos

ml de slidos sedimentados en 1 lt de

muestra

Observaciones

10 1.1 Los slidos sedimentan rpidamente

20 1.5 La velocidad de sedimentacin disminuye

30 1.7 La velocidad de sedimentacin disminuye

40 1.8 La variacin con el tiempo anterior es mnimo

45 1.8 La sedimentacin permanece constante

Se agit el cono con la muestra

Despus de 15 min.

2 Se sedimentaron solo 0.2 ml de slidos despus de la agitacin y el tiempo de espera

38

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

ml

Tiempo

Variacin de slidos sedimentados

ml de slidos sedimentados en 1 lt de muestra

Tiempo inicial 10 minutos

39

20 minutos

30 minutos

40 minutos

45 minutos

Agitacin despus de los 45 minutos

40

Clculo de velocidad de sedimentacin.

Velocidad de sedimentacin Tiempo Slidos sedimentados (m3) Velocidad (m/min)

10min 1.1*10-6 1.558*10-6

20min 1.5*10-6 1.0623*10-6

30min 1.7*10-6 8.0263*10-7

40min 1.8*10-6 6.3737*10-7

45min 1.8*10-6 5.6655*10-7

60min 2*10-6 4.7213*10-7

Reposo de los 15 minutos

Slidos sedimentados despus de los 15 minutos

41

CONCLUSIN

El anlisis de slidos sedimentables presentes en una muestra de agua nos

indica la cantidad de slidos que pueden sedimentarse a partir de un volumen

dado de muestra en un tiempo determinado. De esta forma la sedimentacin es

una operacin de preparacin del agua para la filtracin. Cuanto mejor sea la

decantacin, ms eficiente ser la filtracin.

BIBLIOGRAFA

http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/NMX-AA-004-SCFI-2013.pdf

APHA, AWWA, APLF. Mtodos normalizados para anlisis de aguas y aguas residuales. 17

ediciones. American Public Health Association Enc. New York 1992.

Csar Valdez Enrique, Vzquez Gonzlez Alba B. Ingeniera de los sistemas de tratamiento

y disposicin de aguas residuales. Fundacin ICA. 2003

42

ANEXOS

Clculo de la velocidad de sedimentacin:

43

44

45

CUESTIONARIO

1. Qu importancia tiene en ingeniera ambiental la medicin de la

materia solida existente en una gran variedad de muestras liquidas

y semilquidas que oscilan entre la aguas potables y las

contaminadas?

Los slidos gruesos se sedimentan y forman mantos de lodo en los que tiene

lugar la descomposicin anaerobia. Las corrientes arrastrarn y mezclarn los

productos de descomposicin con el agua de las capas superiores. Con

suficiente dilucin, es posible que sta no quede exenta de oxgeno. El

arrastre originado por una avenida puede levantar el lodo finamente dividido y

llevarlo aguas abajo, llegando a matar los peces al alojarse en sus agallas.

2. Qu es la sedimentacin de partculas discretas?

Se llama partculas discretas a aquellas partculas que no cambian de

caractersticas durante la cada. Se denomina sedimentacin o sedimentacin

simple al proceso de depsito de partculas discretas. Este tipo de partculas y

esta forma de sedimentacin se presentan en los desarenadores, en los

sedimentadores y en los presedimentadores como paso previo a la

coagulacin en las plantas de filtracin rpida y tambin en sedimentadores

como paso previo a la filtracin lenta.

3. Qu es la sedimentacin de partculas floculantes?

Se refiere a una suspensin bastante diluida de partculas que se agregan, o

floculan, durante el proceso de sedimentacin. Al unirse, las partculas

aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. En este tipo, la densidad

como el volumen de las partculas cambian a medida que ellas se adhieren

unas a otras mediante el mecanismo de la floculacin y la precipitacin

qumica.

46

4. Qu es la sedimentacin de partculas por cada libre o

interferida?

Cuando existe una baja concentracin de partculas en el agua, stas se

depositan sin interferir. Se denomina a este fenmeno cada libre. En cambio,

cuando hay altas concentraciones de partculas, se producen colisiones que

las mantienen en una posicin fija y ocurre un depsito masivo en lugar de

individual. A este proceso de sedimentacin se le denomina depsito o cada

interferida o sedimentacin zonal. Cuando las partculas ya en contacto

forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidacin, se produce

una compresin o zona de compresin. Este tipo de sedimentacin se

presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantacin con

manto de lodos.

5. Con que otros mtodos se pueden determinar los slidos?

La remocin de slidos puede llevarse a cabo mediante filtracin, y los

compuestos de fsforo y nitrgeno pueden removerse mediante una

combinacin de procesos fsicos, qumicos y biolgicos.

La mayor parte de los slidos suspendidos presentes en las aguas residuales

son de naturaleza pegajosa y floculan en forma natural. Las operaciones de

sedimentacin primaria son esencialmente del Tipo 2 sin la adicin de

coagulantes qumicos ni operaciones de mezclado mecnico y floculacin.

La determinacin de slidos totales en muestras de agua por desecacin es

un mtodo muy utilizado, algunas de sus aplicaciones son: determinacin de

slidos y sus fracciones fijas y voltiles en muestras slidas y semislidas

como sedimentos de ro o lagos, lodos aislados en procesos de tratamiento de

aguas limpias y residuales y aglomeraciones de lodo en filtrado al vaco, de

centrifugacin u otros procesos de deshidratacin de lodos.

47

Un mtodo alterno y ms sencillo consiste en estimar los slidos disueltos

totales utilizando la medida de conductividad del agua.

48

REPORTE DEL BIORREACTOR

49

50

INTRODUCCIN

Un biorreactor es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiologa

industrial. Es un recipiente donde se realiza el cultivo, su diseo debe asegurar un

ambiente uniforme y adecuado para la reproduccin y el hbitat de los

microorganismos.

Las tareas que debe desempear el biorreactor, se resumen en:

1.- Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo

a fin de prevenir la sedimentacin o la flotacin.

2.- Mantener constante la temperatura.

3.- Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.

4.- Suministrar oxgeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo.

5.- El diseo debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo

el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo

deseado.

Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor est

provisto de un sistema de agitacin, a dems para el punto (4) se requiere de un

sistema que inyecte aire en el cultivo.1

1P royecto de un biorreactor, consultado en: https://prezi.com/ug3unzcduzvn/proyecto-biorreactores/.

28/03/2015.

51

OBJETIVOS GENERALES

Disear un biorreactor de acuerdo a las caractersticas que conlleva para su

elaboracin con condiciones adecuadas para su funcionamiento.

Disear y construir un biorreactor para obtener los lodos activados del agua

residual domstica.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Aportar el desarrollo de un proyecto que ayude a la automatizacin de los

procesos llevados a cabo en este biorreactor.

Promover una fuente de conocimiento prctico para futuros aprendices de

ingenieros ambientales.

Identificar y describir las partes accesorias, al igual que la forma como se

operan, controlan, esterilizan, cargan y descargan, etctera.

Lograr una buena agitacin.

Lograr revoluciones por minuto de 65 como mximo.

e microorganismos.

52

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La presencia de nutrientes en aguas residuales domsticas (ARD) puede constituir

un problema no siempre de fcil solucin. En trminos generales la mayor parte de

los componentes presentes en el ARD son materia orgnica e inorgnica,

nutrientes y microorganismos; con relacin a los nutrientes nitrgeno y fsforo, se

destaca el problema de la eutrofizacin que puede causar daos al cuerpo

receptor, pudindose enumerar: problemas estticos y recreacionales, condiciones

anaerbicas en el fondo, eventual mortalidad de peces, mayor dificultad y

elevacin de los costos de tratamiento de aguas de consumo, problemas con el

abastecimiento de aguas industriales, modificaciones en la calidad y cantidad de

peces de valor comercial, reduccin en la navegacin y capacidad de transporte,

consumo de oxgeno disuelto, entre otros.

En funcin de esto se hace necesario que sean investigadas tecnologas de

acondicionamiento de aguas residuales, econmicas y sustentables, que a

diferencia de las estaciones de tratamiento convencionales centradas solo en la

eliminacin de materia orgnica y organismos patgenos incluyan la remocin de

nutrientes. Por lo tanto, la atencin en los ltimos aos se ha enfocado hacia el

desarrollo de sistemas de depuracin ms efectivos, siendo en la prctica

incluidos procesos terciarios a las estaciones de tratamiento y/o implementacin

de procesos continuos con eliminacin de carga orgnica y nutrientes.

53

JUSTIFICACIN

Como una alternativa a estos sistemas de tipo continuo se ha utilizado sistemas

de tratamiento biolgico de lodos activados de flujo discontinuo, donde las fases

de reaccin y decantacin se realizan en un solo tanque llamado Reactor

Biolgico Secuencial (RBS), eliminando de esta forma la necesidad de

decantadores y de instalaciones de recirculacin de lodo. En un RBS las fases de

tratamiento del agua residual se producen a lo largo de un perodo de tiempo

definido llamado ciclo, que una vez finalizado se vuelve a repetir de manera

sistemtica. Cada ciclo comprende una serie de fases que se suceden en el

tiempo, segn las caractersticas del tratamiento.

Entre las ventajas que proporcionan los RBS se destacan: flexibilidad para

adaptarse a las caractersticas del agua residual afluente, como las fluctuaciones

de caudal, permitiendo ajustar la duracin de los ciclos; reduccin de los costos en

relacin a procesos continuos, ocupan poco espacio fsico y posibilidad de

remocin conjunta de materia orgnica y nutrientes en un nico ciclo de operacin.

Teniendo en cuenta lo expuesto se desarrollo esta investigacin con el objetivo de

estudiar la aplicabilidad de un RBS en la eliminacin de nutrientes y materia

orgnica de un agua residual domstica, determinando la influencia de la variacin

del tiempo de duracin de las fases que conforman los ciclos de tratamiento y de

la edad de lodo en dichos procesos.

54

HIPTESIS

Mediante el diseo y la elaboracin de un biorreactor se busca mantener ciertas

condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentracin de oxgeno,

etctera) para que los microorganismos que contenga el biorreactor realicen su

funcin y con ello aprender a conocer el funcionamiento y eficacia de un

biorreactor en las PTAR.

55

MARCO TERICO

CAPITULO I.- EL REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO

El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una

agitacin casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y

desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material

producido). La condicin de agitacin no es tan difcil de alcanzar siempre y

cuando la fase lquida no sea demasiada viscosa.

El propsito de lograr una buena agitacin es lograr que en el interior del tanque

se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo

el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reaccin, y que no existan o

queden espacios muertos.

Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de

circulacin de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una

centsima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir

del reactor.

En el reactor continuamente agitado, ocurre la reaccin exotrmica A B.

Para remover el calor de la reaccin, el reactor es rodeado por una cmara

(camisa de refrigeracin) a travs del cual fluye un lquido refrigerante. Para

efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:

Las prdidas de calor circundantes son despreciables

Las propiedades termodinmicas, densidades, y las capacidades calorficas

de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes.

Mezcla (agitacin) perfecta en el reactor, por tanto la concentracin, presin y

temperatura son iguales en cualquier punto del tanque

Temperaturas uniformes en ambas cmaras.

56

Volmenes Constantes V, Vc.

Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado (CSTR) se operan cerca

de puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una produccin ptima del

proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede

ser muy sensible a cambios de carga (cambios en las condiciones de

alimentacin). Debido a que los CSTR son comnmente la parte central de un

proceso qumico completo, el control de la operacin del CSTR ha sido uno de los

problemas ms importantes en la industria qumica.

La regulacin de temperatura es la operacin de control ms sencilla de los CSTR.

La mayora de controladores de temperatura en la industria qumica son

controladores PI clsicos.

CAPITULO II.- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL MODELADO

Para remover el calor de la reaccin, el reactor es rodeado por una cmara a

travs del cual fluye un lquido refrigerante. Para efectos de nuestro estudio

debemos tener las siguientes consideraciones:

Las prdidas de calor circundantes son despreciables.

Las propiedades termodinmicas, densidades, y las capacidades calorficas

de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes.

Mezcla perfecta en el reactor.

Temperaturas uniformes en ambas cmaras.

Volmenes Constantes V, Vc

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones definamos las variables y los

parmetros para nuestra planta o proceso.

57

Variables independientes (variables de entrada):

Flujo del Producto A: f (t)

Flujo del Lquido Refrigerante: fc (t)

Variables dependientes (variables de salida):

- Concentracin del Producto Sobrante A: cA (t)

- Temperatura en el Reactor: T (t)

- Temperatura del Lquido Refrigerante: Tc (t)

Perturbaciones medibles:

- Concentracin del producto A en la entrada del Reactor cAi (t)

- Temperatura de Entrada del producto A: Ti (t)

- Temperatura del Lquido Refrigerante a la Entrada: Tci (t)

58

La instrumentacin y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las

variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el equipo a un punto

ptimo de operacin. Idealmente, los sensores deben de estar en lnea, para

medir las propiedades fsicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables

para asegurar la asepsia del proceso. Sin embargo, no todas las mediciones

pueden ser hechas en lnea, algunas medidas fuera de lnea, requieren de tomar

muestras y analizarlas, lo cual consume tiempo y hace lenta la respuesta de

control (biomasa, sustrato, metabolitos, etc.). En la figura siguiente, podemos

observar los principales instrumentos de medicin en un biorreactor. Los sensores

de propiedades fsicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la

temperatura, presin, poder de agitacin, velocidad de agitacin, viscosidad del

medio, flujo y concentracin de gases y fluidos, espuma, volumen y masa. Los

utilizados en el prototipo son de agitacin, temperatura y nivel de lquido. Para la

medicin de las propiedades qumicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor,

de pH, redox, oxgeno disuelto y CO2. El ms utilizado es el de pH, aunque no

tiene utilidad para todas las fermentaciones, slo en las de tipo continuo donde se

necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con

sensores de pH y oxgeno disuelto.

59

Modos de operacin Los biorreactores, tienen bsicamente tres modos de

operacin para realizar las fermentaciones: 1. Modo lote (Batch) 2. Modo lote

alimentado (Fed-Batch) 3. Modo continuo Los modos de operacin por lote, son

modos discontinuos de operacin, el modo lote es comnmente llamado

discontinuo, mientras que el modo lote alimentado se conoce como discontinuo

alimentado a intervalos En nuestro caso, se utiliz el modo lote, en el cual, todas

las materias primas necesarias para producir (sustrato) se introducen al inicio de la

fermentacin, el objetivo es la produccin de un metabolito cuyo valor es mayor al

de la materia prima. Este cultivo se deja en operacin por un cierto tiempo (tiempo

de fermentacin). Al final de la fermentacin se recuperan los productos de inters

(Figura 5). Slo se utilizan cuando se requiere una cantidad pequea de producto.

60

MATERIAL

1 garrafn de 19 litros

1 tubo de 6 cm PVC pulgada

4 vlvulas de PVC pulgada

6 codos de PVC pulgada

1 cinta tefln

1 pegamento de tubo PVC.

1 motor de ventilador

1 varilla de cobre de 70 cm varilla

6 aspas de metal de 7/5

1 soldadura para material de cobre

4 tubos para puerta de 1.5 m.

4 tubos para puerta de 40 cm.

1 aireador

61

METODOLOGA

El diseo de los biorreactores es una tarea de ingeniera relativamente compleja y

difcil. Los microorganismos o clulas son capaces de realizar su funcin deseada

con gran eficiencia bajo condiciones ptimas. Las condiciones ambientales de un

biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxgeno, nitrgeno, dixido de

carbono, etc.), temperatura, pH, oxgeno disuelto y velocidad de agitacin o

circulacin, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.

Lo primero que hay que entender en el diseo de reactores biolgicos es que

contrario a los qumicos, su cintica no est determinada exclusivamente por la

velocidad de reaccin y las variables que la determinan. Aunque se puede

describir de manera similar a la qumica, la cintica biolgica tambin depende de

caractersticas intrnsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa

de divisin celular, as como del tipo de operacin que se lleve a cabo. Por eso, lo

primero que se define en el diseo de un biorreactor es el propsito de utilizacin;

es decir, qu tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de

cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes

objetivos:

1. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

2. Mantener constante y homognea la temperatura.

3. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.

4. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.

5. Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

6. Mantener el cultivo puro.

7. Mantener un ambiente asptico.

8. Maximizar el rendimiento y la produccin.

62

9. Minimizar el gasto y los costos de produccin.

10. Reducir al mximo el tiempo.

Lo primero que hay que entender en el diseo de reactores biolgicos es que

contrario a los qumicos, su cintica no est determinada exclusivamente por la

velocidad de reaccin y las variables que la determinan. Aunque se puede

describir de manera similar a la qumica, la cintica biolgica tambin depende de

caractersticas intrnsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa

de divisin celular, as como del tipo de operacin que se lleve a cabo. Por eso, lo

primero que se define en el diseo de un biorreactor es el propsito de utilizacin;

es decir, qu tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de

cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes

objetivos:

1. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

2. Mantener constante y homognea la temperatura.

3. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.

4. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.

5. Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

6. Mantener el cultivo puro.

7. Mantener un ambiente asptico.

8. Maximizar el rendimiento y la produccin.

9. Minimizar el gasto y los costos de produccin.

10. Reducir al mximo el tiempo.

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Actualmente, los tratamientos biolgicos han cobrado un gran inters en los

procesos de depuracin de aguas residuales. Su utilizacin se fundamenta en el

aprovechamiento de la capacidad de microorganismos para degradar, acumular,

adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de contaminantes presentes en

aguas o efluentes. Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos

procesos, es el diseo de los biorreactores o reactores biolgicos.

Los factores que pueden afectar los resultados del proceso son:

Las caractersticas del efluente que se alimenta (porcentaje de slidos,

presencia de cloro, etc.).

La cintica de crecimiento bacteriano y de transformacin de los lodos.

La composicin de la poblacin bacteriana en el biorreactor

La calidad de la materia orgnica que se aade al proceso.

El funcionamiento estable del reactor depender de los siguientes factores:

Concentracin de los compuestos necesarios para el crecimiento y

actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).

Mantencin de parmetros fsico-qumicos (temperatura, pH) del medio en

rangos relativamente limitados para que la actividad de los

microorganismos sea ptima.

Diseo del sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las

condiciones normales de operacin.

Agitacin que impida:

a) La formacin de zonas de lodos sin tratar.

b) Que no disminuya significativamente el tamao de los flculos.

Al disear un bioreactor se debe de tener en cuenta las caractersticas del proceso

a realizar, asegurar las condiciones necesarias para el crecimiento de los

microorganismos y la obtencin del producto final deseado.

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IMAGEN 6. RECIPIENTE A UTILIZAR IMAGEN 7. ADAPTACIN DEL DISEO

IMAGEN 8 Y 9. ADAPTACIN DEL DISEO

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IMAGEN 10 Y 11. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE PARA SU

POSTERIOR CORTE

IMAGEN 12 Y 13. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE DESPUS

DEL CORTE PARA INSERTAR LAS ASPAS.

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BIBLIOGRAFA

http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf

http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/content/0/Clase%206%20.pdf

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169818107002

http://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdf

http://www.criba.edu.ar/cinetica/reactores/CAPITULO%208.pdf

http://biologia.laguia2000.com/biotecnologia/que-es-un-biorreactor

http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/fbiorects.pdf

http://somib.org.mx/rmib/pdfs/Vol24/No1/6.pdf

http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/i-142.pdf