aplicaciones en el respirómetro bm-t

APLICACIONES EN EL
ANALIZADOR DE
RESPIROMETRÍA
BM-T
V10
Encarnación, 125
08024 Barcelona
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+34 - 932 194 595
Fax +34 - 932 104 307
E-mail: [email protected]
www.surcis.com
1
APLICACIONES EN EL RESPIRÓMETRO BM-T
En este tratado se exponen algunas aplicaciones representativas que se pueden llevar a
cabo con el respirómetro BM-T de Surcis, S.L. de forma resumida y básica.
Estas aplicaciones constituyen la base para la confección de análisis y estudios más
complejos y pueden, así mismo, dar lugar a otras sub-aplicaciones diseñadas por el propio
operador.
El respirómetro BM-T es un equipo multifuncional tipo batch de circuito cerrado, de carácter
abierto y provisto de varios modos de trabajo.
1. MEDIDAS Y ENSAYOS AUTOMÁTICOS
Los principales ensayos y medidas que se pueden llevar a cabo de forma automática con el
BM-T son las siguientes:
Modo estático & cíclico
OUR (mg O2/l.h)
SOUR (mg O2/g.h)
Tasa de Consumo de Oxígeno en el Licor-Mezcla.
OUR específico.
Modo dinámico
Rs (mg O2/l.h)
Rsp (mg O2/g.h)
CO (mg O2/l)
DQOb (mg O2/l)
Tasa de Respiración dinámica.
Rs específico.
Demanda de Oxígeno del Sustrato.
Fracción DQO biodegradable
2
1.1. TIPOS DE OUR & SOUR
Dependiendo del agua residual y punto de muestreo podemos distinguir los siguientes OUR
y SOUR.
FED OUR & SOUR: Valoración del OUR y SOUR de la entrada al reactor biológico.
En el primer paso del ensayo, la aireación se ajustará al 90% y la velocidad de la bomba se
podrá a 3.
Si el caso lo requiere, también se puede obtener el licor-mezcla con mezcla equivalente a
caudales entre agua residual influente y fango de recirculación (pero no es aconsejable)
UNFED OUR & SOUR: Valoración del OUR y SOUR en salida de reactor
Se puede obtener directamente del licor-mezcla de salida de reactor, o por mezcla de agua
efluente con fango de recirculación con mezcla equivalente a caudales.
OUR end & SOUR end: Valoración del OUR y SOUR de un fango en respiración endógena.
OURs & SOURs: OUR y SOUR correspondientes a la oxidación del sustrato. Se obtiene por
la diferencia entre el FED y el end. OURs = FED OUR – OUR end.
En caso de proceso con nitrificación, se debe añadir Allil Tiourea antes del ensayo FED OUR
- en la proporción de 4 mg. por g. de MLVSS - con el fin de eliminar la nitrificación.
1.2. TIPOS DE R
El ensayo R puede tener las siguientes orientaciones:
Análisis Cualitativo: Valoración individual o comparativa de la trayectoria de los valores
Rs y Rsp: Actividad Biológica, Detección de Nitrificación Toxicidad, …
Análisis Cuantitativo: Determinación de OC, Determinación de la DQOb
3
2. APLICACIONES
2.1. VALORACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL FANGO DESDE EL UNFED
SOUR
Se trata de un test primario en donde podemos hacer una rápida valoración del estado del
fango, dependiendo del tipo de proceso y sus condiciones.
Tipo deproceso
Convencional
Mezcla Completa
Alimentación Escalonada
Aireación Prolongada
Doble Etapa (2ª Etapa)
Canales de Oxidación
Edad del
Fango
(días)
5 - 15
5 - 15
5 - 15
20 - 30
5 - 15
10 - 30
F/M
UNFED SOUR
(kgDBO/kgVSS.d
(mg O2/g
VSS.h)
0,2 – 0,4
8 - 18
0,2 – 0,6
8 - 20
0,2 – 0,4
8 - 18
0,05 – 0,1
1 - 12
0,2 – 0,6
8 - 20
0,2 – 0,4
3 - 12
MLVSS
(g/l)
1,5 – 3
3–5
2 – 3,5
3-6
1,5 – 3
3-6
2.2. PULSO AL PROCESO: FACTOR DE CARGA (FC)
Denominamos factor de carga (FC) a la relación entre FED OUR y UNFED OUR.
FC = FED OUR / UNFED OUR
FC
Diagnóstico
FC < 1
1 < FC < 2
2 < FC < 5
FC > 5
Carga inhibitoria o tóxica
Bajo Rendimiento (1) o Baja Carga
Carga aceptable
Posible sobrecarga
Fuente: Ron Sharman (sharmar @ linnbenton.edu), Water and Wastewater Technology, LBCC.
(1) Cuando el UNFED SOUR está por encima del rango de normalidad.
2.3. Velocidad Específica de Consumo de Sustrato referida a un
estándar: q
Esta aplicación nos permite conocer el estado de actividad del fango.
Se lleva a cabo con un ensayo R en donde registramos la DQOb parcial en el punto de su
respiración máxima.
En caso de que se desee hacer un estudio comparativo con varios fangos, podemos hacer
uso de un compuesto estándar (acetato sódico)
4
q = (DQObparcial * Vm / 1000) * 24 / (VSS * t)
Vm (ml): Volumen de muestra estándar añadida
t (h): Tiempo transcurrido en horas
Dependiendo del tipo de proceso, si la q se sitúa por debajo de su valor mínimo, podemos
suponer que la actividad del fango para la degradación del sustrato es débil.
2.4. DETERMINACIÓN DE CONSTANTES CINÉTICAS: Yh, kd , Yobs, Ks
Yh: Índice de producción de la biomasa heterótrofa
Kd: Fracción de MLVSS por día, oxidada durante la respiración endógena
Yobs: Y observada relacionada con la respiración endógena
Ks: ½ Constante de Saturación
2.4.1. DETERMINACIÓN DE Yh A DESDE ACETATO SÓDICO
Nota: El valor Yh corresponde a Y de la configuración del respirómetro cuando en su determinación se elimina la
actividad por nitrificación por lo que, una vez calculado, se debe de actualizar.
El valor de Yh es específico de cada fango.
La determinación de Y se realiza a partir de un ensayo R y por lo tanto hay que preparar el
fango activo en condiciones óptimas:
•
Fango libre de sólidos gruesos. Para ello, es conveniente filtrarlo (con un colador de
paso estrecho)
•
Fango activo (recogido del final o salida de reactor biológico) en situación de
respiración endógena.
Normalmente se alcanza la respiración endógena habiendo sometido al fango a una sobreaireación
durante al menos 24 horas.
•
Fango sin ningún síntoma de inhibición ni toxicidad.
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Procedimiento
1. Se disuelven 200 mg de acetato en 1 litro de agua destilada. Para la solución de 200
mg/l de AcNa podemos tomar una DQO = 150 mg/l
Esta DQO sería soluble rápidamente biodegradable
En caso de duda de la DQO real. Se deberá determinar la DQO de la solución por
procedimiento Standard (o equivalente)
2. Se realiza un ensayo R para determinar el valor OC.
Se utilizará un volumen de muestra entre 30 ml y 50 ml.
Se programará la velocidad del ensayo a 1 (s = 1)
3. Cuando finalice el respirograma del ensayo se da por hecho que el acetato, al ser
rápidamente biodegradable, se ha eliminado (oxidado) en su totalidad. Por lo tanto:
DQO eliminada (acetato) = 150
4. Se calcula Yh desde la siguiente expresión matemática:
Yh = 1 - OC / 150
2.4..2. DETERMINACIÓN DE kd
kd = SOUR end / 1,42
Kd: Fracción de MLVSS por día, oxidada durante la respiración endógena
1,42: es una forma práctica de cálculo, comúnmente aceptada, que proviene de la supuesta fórmula empírica de
los MLVSS como C5H7NO2
Fuente: "Tratamiento de Aguas Residuales" R.S. Romalho 1991)
Para este cálculo debemos pasar las unidades del SOUR a Kg O2/Kg.d
SOUR end (mg/g.h) x 24/1000 = SOUR end (Kg O2/ Kg.d)
El SOUR END, muchos tratados la denominan simplemente b.
Tabla orientativa:
F/M
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
1,00
Kd
0,041
0,067
0,080
0,092
0,100
0,109
0,118
0,123
0,128
0,131
0,133
0,136
Fuente: Curso de Tratamiento Biológico Aguas Residuales (CSIC) – Dr. Fco. Colmenarejo Morcillo
2.4.3. DETERMINACIÓN DE Yobs
Yobs: Y observada, función de la respiración endógena
Yobs = Yh / (1 + kd *Θ)
Θ: Edad del fango (dias)
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2.4.4. DETERMINACIÓN DE Ks
Sustrato estándar: Acetato Sódico
qmax
q = qmax / 2
S
Ks
Relación cinética basada en el principio de Michaelis-Menten
En general:
q = (S0 – Se) / (Xv * t)
q (t-1): Velocidad específica de consumo de sustrato.
S0 (mg/l): Concentración DQOb del inicio del proceso.
Se (mg/l): Concentración DQOb al final del proceso.
Xv (mg/l): Concentración de sólidos volátiles en el licor-mezcla.
t(h): Tiempo de residencia.
Adaptando la expresión al método de acetato sódico:
Se = 0
S0 = DQObt = DQOb hasta su respiración máxima en el tiempo t.
t: tiempo transcurrido hasta la respiración máxima.
qt= DQObt / (Xv * tx)
Procedimiento de ensayo
El ensayo a realizar es del tipo R.
Preparativos preliminares:
1 litro de licor-mezcla en fase de respiración endógena.
Serie de dosis de 100 mg de acetato sódico (mínimo de 10 dosis - cada dosis diluida en
unos pocos ml de agua destilada)
Configuración del ensayo R:
Vf: 1000 ml
Vm: 10 ml (este dato no va a intervenir, por estar fd a 1)
fd: 1 (importante)
Temperatura: la programada en la unidad termostática (que debe ser la habitual en el
reactor biológico)
S: 1 (aconsejable)
La programación de fd a 1 permite que las tasas de respiración se adapten a la concentración del acetato en el
fango (concentración = mg acetato / litro de fango)
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Procedimiento:
1. Se inicia el ensayo. Una vez aceptada la línea base, a la orden de añada muestra, se
añade la primera dosis de los 100 mg.
2. Esperamos a que alcance la tasa de respiración máxima. Registramos el tiempo
transcurrido (t)
3. Añadimos una nueva dosis de 100 mg.
4. Confirmamos que la tasa de respiración sube por encima de la respiración máxima
de la dosis anterior.
5. Esperamos de nuevo a que alcance la tasa de respiración máxima. Registramos el
tiempo transcurrido (t)
6. Añadimos una nueva dosis de 100 mg de acetato.
7. Así sucesivamente – registrando el tiempo transcurrido - hasta que llegue el
momento en que al añadir una nueva dosis de 100 mg de acetato la tasa de
respiración máxima ya no sube más respecto a la anterior. Registramos el tiempo
transcurrido (t)
8. Paramos el ensayo.
9. Obtenemos la gráfica final y la guardamos en memoria.
Cálculo de Ks
1. Para cada tiempo registrado (t) de cada tasa de respiración máxima que corresponde
a cada una de las dosis añadidas, desde la gráfica o base de datos, obtenemos el
valor de la DQObt en curso.
2. Con estos valores t y sus correspondientes DQObt, calculamos la q de cada uno de
ellos:
qt= DQObt / (Xv * t)
3. Con cada uno de los valores qt y DQObt obtenidos confeccionamos la gráfica
correspondiente, equivalente a la figura 1.
4. Valoramos los ejes q y DQOb.
qmax
q = qmax / 2
Ks
DQOb
8
5. Entonces aplicamos la regla que nos define q
q = qmax / 2
6. Desde la curva obtenida, determinamos Ks
2.5. FRACCIONAMIENTO DE LA DQO
La respirometría tiene su aplicación directa en la materia orgánica biodegradable y desde
esta perspectiva la clasificamos en DQOrb (fracción rápida/fácilmente biodegradable) y
DQOlb (fracción lentamente biodegradable).
Para estos ensayos en modo dinámico hacemos uso de inhibidor de la nitrificación.
El respirómetro BM-T lleva a cabo la integración de tasas de respiración dinámicas (Rs)
correspondientes a la metabolización de la materia de forma seriada, calculando en continuo
el oxígeno que se va consumiendo (CO).
DQO total
DQO
DQO biodegradable
DQOb
DQO soluble
facilmente
biodegradable
DQOrb
DQO biomasa
heterótrofa
DQO particulada
lentamente
biodegradable
DQOlb
DQO inerte
DQOi
DQO
soluble
inerte
DQOi
DQO
particulada
inerte
DQOi
Al realizar los ensayos relacionados con las fracciones biodegradables de la DQO, nos
estamos refiriendo a las fracciones que el fango activo de un determinado proceso de
depuración es capaz de metabolizar y no de las fracciones completas.
DQO biodegradable total: DQOb (mg/l)
DQOb se puede considerar como la DQO (DQOe) eliminada en un proceso de degradación
(oxidación) hasta alcanzar la respiración endógena.
Para su determinación se hace uso del modo R.
Es importante que se configure la velocidad s a 1 y que se utiliza un volumen de muestra
Vm no inferior a 50 ml.
El cálculo que realiza el programa es el siguiente:
DQOb = COb / (1-Yh)
COb (mg/l): CO del sustrato soluble, correspondiente a la fracción biodegradable
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DQOb
OC = DQOb - DQOb*Y
Fue nte
de
Carbón
Orgánico
Re spiración
Compue stos
Oxidados
aceptor de
electrón
Cre cimie nto
Biomasa
Re spiración
Endóge na
DQOb*Y
Y
Otros
Nutrie nte s
Kd
decadencia
Biomasa
Productos
Re siduale s
La DQOb incluye la DQOrb y la DQOlb.
El ensayo de la DQOb con mezcla equivalente es normalmente de larga duración.
Con este ensayo, no solamente determinamos los valores CO y DQOb total sino que además
podemos analizar el tiempo real de depuración del sustrato orgánico en las condiciones
establecidas en el sistema.
DQO rápidamente biodegradable: DQOrb (mg/l)
Se obtiene desde el sustrato soluble filtrado con filtro de membrana de 0,45 micras.
Para la determinación de la DQOrb, no se necesita confeccionar un licor-mezcla equivalente
y el ensayo se puede llevar a cabo con fango en respiración endógena y u pequeño volumen
de muestra.
DQOrb = COrb / (1-Yh)
COrb (mg/l): CO del sustrato soluble, correspondiente a la fracción rápidamente biodegradable
DQO lentamente biodegradable: DQOlb (mg/l)
DQOlb = DQOb - DQOrb
La DQOlb normalmente se asocia a la DQO particulada biodegradable y corresponde a la DQO lentamente
hidrolizable por la biomasa.
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2.6. BIODEGRADABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL
La valoración de esta biodegradabilidad se refiere exclusivamente a la capacidad de
biodegradación de un determinado fango activo y no al carácter biodegradable general de la
muestra (normalmente valorado por la relación DBO/DQO)
Se valora base a la DQOb relativa al fango y su relación con la DQO total.
DQOb/DQO
Carácter
> 0,6
Biodegradable
> 0,3 y < 0,6
Medianamente biodegradable
< 0,3
No biodegradable / Muy poco biodegradable
2.7. PARÁMETROS DE PROCESO
2.7.1. F/M
F/M
(DQOb)
(Kg. DQOb/Kg. VSS. d) = DQOb x 24 / (VSS x Trh)
En ocasiones, podemos estimar el valor F/M
F/M
(DBO)
(DBO):
(Kg. DBO/Kg. VSS. d) Estimado = DQOb (mg/l)*24 /(1.6*VSS*Trh)
DBO (mg/l): DBO5 soluble
DQOb (mg/l): DQOb del influente a biológico (con inhibición de nitrificación)
VSS (mg/l): MLVSS
Trh (h): Tiempo de retención hidráulica
2.7.2. EDAD DEL FANGO Θ
1/TRC = Yh * F/M - kd
TRC (d) = Edad del Fango (Tiempo de Retención Celular)
En el caso de que el tratamiento incluya un proceso de Nitrificación la edad del fango mínima se calculará de
acuerdo al punto 2.13.2
2.7.3. TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO OPTIMO
1/TRC = Yh * DBO * 24 / (VSS * Trh) - kd
DBO (mg/l): DBO5 soluble
2.7.4. TASA DE RECIRCULACIÓN (RR)
RR = 1 / [V / (TRC * Qp) – 1]
Qp (m3/d): Caudal medio de fango de purga
Se confirmará su viabilidad con los ensayos de fango V30 y IVF.
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2.8. ESTIMACIÓN DE LA F/M A PARTIR DEL SOURs
Existe una relación directamente proporcional de SOURs con F/M
F/M = SOURs * K
K: Factor específico de de correlación.
El cálculo de K se lleva a cabo mediante la determinación de SOURs y su F/M (con la DBO5
correspondiente)
La calibración de K se llevará a cabo periódicamente.
2.9. ANÁLISIS DE RELACIÓN F/M CON EDAD DEL FANGO (θ)
)
1/ TRC = Y * F/M – kd
1/TRC
Pendiente = Y
+
0
-
kd/Y
F/M
ordenada en origen = kd
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Desde esta perspectiva, esta relación nos permite valorar la edad del fango más adecuada
desde la F/M óptima (F/M óptimo) de trabajo actual.
Este hecho tiene una importancia fundamental y merece especial atención en el
requerimiento de oxígeno global, formación del flóculo, proceso de nitrificación, producción
de fango y su decantabilidad.
2.10. AIREACIÓN
2.10.1. REQUERIMIENTO ACTUAL DE OXÍGENO: AOR
AOR (kg O2/d) = OUR media (Kg O2/m3.d) * V (m3) = (FED OUR + UNFED OUR) / 2
AOR pico (kg O2/d) = AOR * 1,75
AOR end (kg O2/d) = OUR end (Kg O2/m3.d) * V (m3)
AOR: Requerimiento Real de Oxígeno.
V: Volumen del tanque de aireación.
2.10.2. VALORACIÓN DE LA AIREACIÓN ACTUAL EN EL REACTOR
BIOLÓGICO
1. Cálculo de SOTR (kg O2/d)
SOTR: Tasa de Transferencia de Oxígeno Standard - En el Sistema de Aireación instalado.
SOTR (kg O2/d) = P(kW) (kg O2/Kwh) * 24
P (kW): Potencia total utilizada en el sistema de aireación.
kg O2/Kwh: Transferencia de Oxígeno Estándar (Tabla)
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2. Por fórmula calculamos la OTR
OTR (kg O2/d) = SOTR (0,95Cs – Cw) * 1,024T-20 * α / 9,3
OTR: Tasa de Transferencia de Oxígeno con el sistema de aireación actual.
Cs: Saturación de oxígeno en agua potable.
T (ºC)
10
20
30
40
50
Cs (mg/l)
11,4
9,3
7,8
6,9
6,3
Cw: Oxígeno en el proceso del agua residual.
α: Kla / Klas.
3. Valoramos las relación OTR con respecto a AOR
AOR > OTR Aireación deficiente.
AOR < OTR Aireación suficiente en régimen normal de carga.
AOR pico > OTR Aireación deficiente para puntas de carga.
2.11. DETECCIÓN DE TOXICIDAD / INHIBICIÓN POR EQUIVALENCIA
CON EL PROCESO REAL
En cualquiera de sus modalidades la prueba se lleva a cabo por medio de ensayos tipo R.
S (mg/l): Concentración de sustrato (DQO)
VSS (mg/l): Concentración de MLVSS
Preparativos
El día anterior a los ensayos se preparan dos vasijas (1,5 L) de licor-mezcla desde el propio
fango de recirculación del proceso en cuestión o desde un fango de otra planta (que no
tenga problemas)
licor-mezcla de referencia: 500 ml de agua destilada con una dosis de acetato situada entre
200 y 300 mg + 500 ml de fango de recirculación del reactor biológico.
En lugar de acetato, podría también utilizarse un agua residual no-tóxica de características similares a la de la
muestra problema.
licor-mezcla de muestra: 500 ml de muestra integrada + 500 ml de fango de recirculación
del reactor biológico.
Ambas vasijas de licor-mezcla se ponen a airear (aireador tipo pecera) entre 18 y 24 horas.
Caso de que por cualquier circunstancia no se tuviera acceso al fango de recirculación,
podemos hacer uso del fango (licor-mezcla) del propio reactor – recogido del final del
proceso de depuración (salida a decantador) – En estas condiciones la mezcla aconsejable
sería de 300 ml de agua y muestra, y 700 ml de fango.
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Procedimiento:
Una vez transcurrido el tiempo de acondicionamiento (18 – 24 horas), se llevan a cabo dos
ensayos R, uno con el licor-mezcla de referencia y otro con el de la muestra.
Cada uno de los ensayos R se lleva a cabo con una dosis de acetato de ½ gramo por gramo
de VSS.
Se permite la confección gráfica del respirograma hasta alcanzar su Rs máximo.
Nota: En el caso de que se tenga intención de proseguir con la prueba de toxicidad en función del efecto de la
muestra en un ensayo completo, deberá dejarse que el ensayo R de la muestra problema prosiga hasta su
completa finalización.
Una vez alcanzadas las tasas de respiración máximas (Rs máx.) en cada uno de ellos, se
comparan y se puede determinar el tanto por ciento de inhibición (si la hubiere)
I% = (1 – Rs max,m / Rs max,ref) * 100
Rs max,m: Rs max con muestra
Rs max,ref: Rs max con acetato
En el caso de que se tratara de un proceso que se apartara sensiblemente de la proporción
típica de una planta urbana, deberíamos conservar la relación S / VSS correspondiente en el
reactor del respirómetro.
S / VSS en reactor planta = S / VSS en reactor respirómetro
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2.12. DETECCIÓN DE TOXICIDAD POR INCREMENTO PROGRESIVO DE
CONCENTRACIÓN DE MUESTRA EN EL FANGO CON STANDARD
La muestra standard nos proporciona un nivel de referencia sobre el que añadimos dosis
progresivas de la muestra problema para analizar la evolución de los valores de tasa de
respiración.
Cuando la trayectoria de los valores se sitúe por debajo de la referencia, demostraría un
signo inequívoco de inhibición o toxicidad, en caso contrario indicaría ausencia de toxicidad
o inhibición.
Toxicidad – Inhibición en la Nitrificación
Los procedimientos pueden ser similares a los descritos anteriormente, pero utilizando
Cloruro de Amonio como Standard de referencia (en lugar del acetato)
El análisis de toxicidad específica para la nitrificación también admite el uso del inhibidor de
nitrificación, para llevar a cabo comparaciones entre distintas gráficas con y sin uso de
inhibidor.
3.13. NITRIFICACIÓN
2.13.1. TASA DE CONSUMO DE AMONIO (Rn)
Se utiliza licor-mezcla en fase de respiración endógena y una cantidad de Cloruro de Amonio,
con una concentración de N-NH4 equivalente a la que se encuentra en el reactor biológico de la
planta.
El fango debe encontrarse a un pH y temperatura equivalentes al del reactor biológico. Si no
fuera así hay que acondicionarlo para ello.
La concentración equivalente en el reactor de planta se calcula del siguiente modo:
[N-NH4]o = [N-NH4]i x Qi / (Qi + Qr) = [N-NH4]i x 1 / (RR/100 + 1)
[N-NH4]i (mg N-NH4/l): Concentración Nitrógeno amoniacal en influente a reactor.
Qi (m3/h): Caudal del influente a reactor.
Qr (m3/h): Caudal de fango de recirculación.
RR (%): Tasa de recirculación.
Si no se conoce la relación Qi/(Qi+Qr), se multiplicará simplemente [N-NH4]i por 0,5.
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Al hacer uso del cloruro de amonio (ClNH4), tendremos en cuenta que cada mg de ClNH4
equivale a 0,26 mg de N-NH4. Por lo tanto, conociendo [N-NH4]o, prepararíamos la cantidad
correspondiente dividiendo los mg de ClNH4 entre 0,26.
El objetivo de este ensayo es conseguir una tasa de respiración máxima (Rs.max) real en un
licor mezcla que contenga una concentración de Amonio equivalente a la del proceso real.
En la configuración del ensayo R, el valor fd debe ponerse a 1.
Como muestra se preparará el cloruro de amonio correspondiente, diluido en un poco de agua
destilada (p.e. entre 5 y 10 ml)
Por lo demás, el ensayo R se llevará a cabo de forma habitual.
En el respirograma se podrá detener una vez alcanzado el valor máximo Rs.max (n) y
Rsp.max (n)
Rn (mg N-NH4 / l.h) = Rs.max (n) / 4,57
2.13.2. TASA GLOBAL ESPECÍFICA DE CONSUMO DE AMONIO (AUR)
AUR (mg N-NH4 / mg VSS.d) = Rn / VSS
2.13.3. TASA ESPECÍFICA DE NITRIFICACIÓN (qN)
qN (mg N-NH4 / mg VSSA.d) = Rn * 24 / VSSA
VSSA (mg/l): VSS biomasa autótrofa
VSSA se puede estimar a partir de la relación DBO/NKT, según la siguiente tabla:
Fracción de nitrificantes (Fn): factor sobre la concentración total de VSS (MLVSS)
VSSA = Fn * VSS
2.13.4. EDAD DEL FANGO MINIMA PARA LA NITRIFICACIÓN
(TRC min.)
A modo de guía podemos afirmar lo siguiente:
A medida que sube la temperatura la µA crece (en el rango de 4º a 35º C)
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A medida que sube la µA, la edad del fango requerida decrece.
Podemos calcular la TRC mínima para la nitrificación por medio de la siguiente fórmula:
TRC min. = 1 / (µA – kd)
(Metcalfe & Heddy)
µA: Tasa de crecimiento de la biomasa autótrofa (nitrificantes) máxima corregida.
Kd: tasa de decaimiento de la respiración endógena.
µA = µAmax * C
µAmax: Tasa de crecimiento de la biomasa autótrofa (nitrificantes) máxima.
C: Factor de corrección.
C = CpH * CNH4 * COD
CpH: Factor de corrección por pH
CNH4: Factor de corrección por concentración de N-NH4+
COD: Factor de corrección por oxígeno disuelto actual.
CpH = [1 – 0,833 (7,2 – pH)]
pH: pH actual del proceso
CNH4 = NH4 / (KN + NH4)
NH4 (mg N-NH4+/L): Concentración de NH4+-N.
KN (mg N-NH4+/L): Constante ½ saturación del N-NH4+ oxidado.
COD = DO /(1,3 + DO)
DO (mg/l): Oxígeno disuelto medio en el proceso de nitrificación.
Nota: No se corrige por temperatura, ya que se va a aplicar un Rn /Tasa de nitrificación) a una temperatura
equivalente a del proceso real.
Para nuestros cálculos, podemos hacer uso de la siguiente tabla:
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µAmax = YA* qH
YA (mg XA/mg N-NH4): Coeficiente de crecimiento de la biomasa autótrofa - Por defecto: YA = 0,15
qH (mg N-NH4/L.d): Tasa específica de nitrificación a la temperatura actual del proceso.
Nota: Tanto YA como VSSA, se podría también determinar con la Respirometría BM-T, pero en esta aplicación se ha
pretendido realizar los cálculos de forma rápida y bajo un sentido práctico que, en definitiva, es uno de los
objetivos de la Respirometría BM-T.
NOTA IMPORTANTE:
Si el valor de Rn se encuentra por debajo del rango de valores típicos, el cálculo de µA y la aplicación de la tabla
para la estimación de VSSA pueden ser incoherentes debido a una actividad nitrificante inferior a lo normal. Debe
entonces procederse a encontrar las causas de esta baja actividad mediante el análisis de las condiciones físicoquímicas para la nitrificación, parámetros operativos, posible toxicidad o inhibición específica y determinación real
de VSSA por respirometría.
Ejemplo de cálculo de TRC mínima para la Nitrificación
Datos del proceso:
MLVSS = 1800 mg/L
N-NH4 = 60 mg/l
Rn = 5 mg N-NH4/L.h = 120 N-NH4/L.d
DBO5/TKN = 4
pH = 8
T = 20ºC
µAmax = 0,15 * Rn / XA
XA = 0,064 * 1800 = 115
µAmax = 0,15 * 120 / 115 = 0,156
µA = µAmax * C
CpH = [1 – 0,833 (7,2 – pH)]
CpH = [1 – 0,833 (7,2 – 8)] ≈ 1,67
CNH4 = NH4 / (KN + NH4)
CNH4 = 60 / (0,77 + 60) = 0,98
COD = DO / (1,3 + DO)
COD = 2 / (1,3 + 2) = 0,60
C = 1,67 * 0,98 * 0,60 ≈ 0,98
µA = 0,156 * 0,98 = 0,153
TRC min. = 1 / (µA – kd)
TRC min. = 1 / (0,153 – 0,04) = 8,8 ≈ 9 días
TRC min. = 9 días
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2.14. DESNITRIFICACION
2.14.1. ESTIMACIÓN DE LA TASA DE DESNITRIFICACIÓN (NUR)
NUR (g NO3 –N/g VSS.d) estimado = FED SOUR (g O2/ g VSS.d) / 2,8
Fuente: W.W. Eckenfekder & J.L. Musterman – 1995
Fuente: Long Island Sound Training – Nitrogen Removal - 2003 (EPA)
2.14.2. DEMANDA DE MATERIA CARBONADA PARA LA
DESNITRIFICACION.
Relación de la Fracción Biodegradable con Nitratos a desnitrificar
DQOrb(dn) / N_NO3d = 2,86
N_NO3d = N_NH4n - Norge - N_NO3e
DQOrb(dn) : DQOb influente al proceso de la desnitrificación (con inhibición de nitrificación)
N_NH4n: nitrógeno a nitrificar en la zona aerobia
Norge: nitrógeno orgánico en el efluente de planta
N_NO3e: nitrato en el efluente de planta
2.15. PRODUCCIÓN DE FANGO EN EL PROCESO BIOLÓGICO (Px)
Yobs = Y (1 + kd * TRC)
Y: Índice de producción de biomasa
Yobs: Y observada
kd: Fracción de MLVSS por unidad de tiempo oxidada durante el proceso de oxidación endógena
Asumimos como valores medios normales:
Y = 0,67
kd = 0,06 d-1 (por defecto)
TRC: Edad del fango (días)
Suponiendo que en el reactor eliminamos toda la DQO soluble fácilmente biodegradable:
Px = Yobs *Qo* So
Qo: Caudal influente a biológico (m3/d)
So: DQOb (Kg/m3)
Px: Producción de fango en el proceso
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2.16. OTRAS APLICACIONES
El presente manual de aplicaciones ha pretendido describir algunas aplicaciones prácticas que
se pueden llevar a cabo en una rutina de trabajo periódica.
Sin embargo, el respirómetro BM-T es un sistema abierto y, por esta razón, el nº de
aplicaciones que se pueden llevar a cabo es inmenso.
El BM-T ha demostrado que se pueden llevar estudios de envergadura relacionados con
cualquier aspecto del proceso de depuración biológica y desarrollar programas para establecer
modos específicos de control, diseño, I + D, e intervenir en programas de simulación.
Por ello, en caso de interés por alguna otra aplicación específica puede ponerse en contacto
con Surcis S.L
Por otro lado, Surcis además de suministrar el analizador, como ingeniería especializada en
Respirometría y Procesos de Depuración Biológica, está capacitada para dar soporte técnico en
esta tecnología sus clientes y a realizar Servicios de Respirometría independientes.
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Protocolo de Respirometría General
Tomar el pulso al
fango y proceso:
kd, q,
UNFED SOUR
¿Síntomas
Toxicidad?
N
Ensayos
Toxicidad
FED SOUR
&
FC
AOR
S
AOR / OTR
¿OK?
N
S
Revisión de
parámetros
operativos:
F/M, TRC, RR
S
S
Bajar F/M
&
Subir TRC
Revisar
DQOrb/N/P
&
Condiciones
físico/químicas
N
N
BINGO
FC
Relación entre el OUR de
entrada y salida.
OTR (kg O2/d)
Transferencia de oxígeno
del sistema de aireación.
N
¿Bulking?
UNFED SOUR
(mgO2/gVSS.h)
Tasa respiración específica
del final del proceso.
AOR (kg O2/d)
Requerimiento actual de
oxígeno.
N
¿Baja
actividad?
q (DQO/VSS.d)
Velocidad específica de
eliminación de sustrato.
Toxicidad (%)
Ensayo de la actividad del
fango comparada con un
estándar.
DQOrb
¿Sobrecarga?
Optimizar
Aireación
Kd
MLVSS oxidada en la
respiración endógena / día
S
DQOrb (mg/l)
Fracción fácilmente
biodegradable
de la DQO
F/M
Carga másica
(DQOrb)
TRC (d)
Edad del fango.
RR (%)
Tasa de recirculación.
¿F/M muy baja?
S
Subir F/M
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Protocolo de Respirometría para la Nitrificación
Condiciones f/q
Nitrificación
SRT: 4 - 15 días.
F/M < 0,6
pH: entre 7 - 8,5
T > 15ºC
OD > 1,5 ppm
Comprobar
condiciones f/q
de Nitrificación
Condiciones
¿OK?
N
Corregir
condiciones
Test de Nitrificación
Test de reacción del fango al
N-NH4
S
Test de
Nitrificación
¿Hay
Nitrificación?
Toxicidad para la
Nitrificación
Ensayo de Respirometría de
la actividad por Nitrificación
con estándar (NH4Cl)
N
Ensayo de
Toxicidad
para
Nitrificación
Rn (mgN-NH4/l.h)
Ensayo de Respirometría
para la Tasa de eliminación
de
N-NH4
AUR (mgN-NH4/gVSS.h)
Capacidad específica de la
Nitrificación, desde Rn
S
Capacidad de
Nitrificación:
Rn, AUR, qN
qN (mg N-NH4 / mg
VSSA.d) = Rn * 24 / VSSA
TRC min (d)
Edad Mínima del fango para
la Nitrificación, calculada
desde kd y qN
Capacidad
Nitrificación
¿OK?
S
N
TRCmin
BINGO
TRC
¿OK?
N
Corregir
TRC min
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Protocolo de Respirometría para la Desnitrificación
Comprobar
condiciones f/q de
Desnitrificación
Condiciones
¿OK?
Condiciones f/q para
Desnitrificación
pH: 6,5 – 8
OD < 0,3 ppm
DQOrb/NKT = 2,5 - 5
Corregir
condiciones
DQOrb
DQOrb / NO3d
Ratio
¿OK?
N_NO3d
Nitratos a desnitrificar:
N_NH4n - Norge -N_NO3e
DQOrb
Fracción fácilmente
biodegradable
de la DQO
NUR
Velocidad específica de
la Desnitrificación
2,86
Suministrar
fuente
carbonosa
adicional
NUR
NUR
¿OK?
Ensayo
Toxicidad
BINGO
SURCIS, S.L.
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