estudio comparativo entre los resultados obtenidos en un

ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN UN REACTOR A
ESCALA LABORATORIO Y OTRO A ESCALA NATURAL UTILIZANDO BIODISCOS.
(CASO REAL)
Rafael Dautant Semprum, Hernán López Herrera
Departamento de Ingeniería Sanitaria, Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Universidad de
Carabobo, Bárbula, Estado Carabobo, Venezuela
El presente trabajo tiene como objetivo mostrar el estudio de tratabilidad, la ingeniería ambiental utilizada
y el funcionamiento del sistema de tratamiento biológico empleado para la remoción de la carga orgánica
de los afluentes industriales de una empresa papelera, ubicada en la Cuenca del Lago de Valencia, Estado
Carabobo, Venezuela, la cual fabrica papel sanitario, toallas, servilletas y papel “tissue” en general;
generando aguas residuales que eran pretratadas en un proceso fisico-químico a base de coagulación,
floculación, sedimentación; sin embargo, los niveles de contaminación orgánica expresados en términos
de DBO y DQO descargados a la salida de este tratamiento debían ser reducidos de acuerdo a la
reglamentación vigente, por lo que se procedió a realizar un estudio a escala a fin de analizar la
factibilidad de implementar un proceso biológico.
Palabras Claves: Biodisco, Disco Biológico Relativo, R.B.C., Reactor Biológico.
INTRODUCCION
La Cuenca del Lago de Valencia, es una de las cuencas en degradación, debido al mal uso de los recursos,
en especial, el agua. La vida de la flora lacustre y de la fauna ha sido imposibilitada por la alta
contaminación, con todo tipo de residuos industriales y de materia orgánica, por lo que se hacen
imprescindibles plantas de tratamiento realmente efectivas, capaces de eliminar o reducir hasta limites
aceptables, los principales contaminantes y satisfacer las normas definidas que regulan la disposición y de
esta manera, no interferir con la lógica y racional utilización, los beneficios que ella aporta a la
comunidad y el equilibrio ecológico de la región.
En el campo de Tratamientos de Aguas de Desecho, los llamados sistemas biológicos son ampliamente
utilizados, ya que con ellos se logra lo que la naturaleza haría por sí misma.
La intensidad del tratamiento depende, además de las condiciones del problema, del mayor o menor grado
de preservación que exigen los cuerpos receptores para así conservar su calidad fisico-química y biológica
que las circunstancias y el medio le imponen.
Un sistema de tratamiento biológico a escala, permite simular las condiciones reales y, mediante estudios
experimentales en el laboratorio, obtener resultados precisos para el tratamiento de un tipo específico de
agua residual. En base a los análisis de laboratorio, se deduce:
1.- Sí el agua residual en estudio es susceptible de ser tratada con las operaciones unitarias y proceso
seleccionado.
2.- Obtener datos que se utilicen para diseñar y operar instalaciones de tratamiento a escala real.
Se estudia la cinética de crecimiento bacterial analizando el Modelo de Monod, llegando al desarrollo
matemático de los Reactores Biológicos, unidades donde ocurre la oxidación biológica, basada en la
degradación del material orgánico por microorganismos y en el control de los principios básicos que
gobiernan el crecimiento de estos.
OBJETIVO
El objetivo de este trabajo es el de mostrar la relación entre los datos obtenidos en un reactor biológico a
escala laboratorio tipo Discos Biológicos Rotativos (Biodiscos) y el tratamiento a escala real; diseñado y
construido con los resultados de estudio a escala laboratorio.
PLANTA A ESCALA LABORATORIO
Elementos Constitutivos. El diseño del reactor está constituido por un sedimentador primario, reactor
biológico y sedimentador secundario, construido con láminas de acrílico transparente (6 m.m. de espesor)
para permitir una visualización continua de los fenómenos que ocurrían en el reactor y sedimentadores.
Reactor Biológico. El reactor biológico consta de un cajón de 1.15 m. De largo de ancho y 0,60 m de alto,
dividido en cuatro etapas por medio de mamparas del mismo material y que poseen ventanas de 5 x 3 cms.
Para permitir el recorrido del liquido de una etapa a otra (Fig. 1 y 2).
Fig.1 Planta del Reactor Biológico
Fig. 2 Corte Reactor Biológico
Placas de Polietileno. El Biodisco está constituido con 20 placas facilitadas por la Empresa ICO, S.A. de
C.V., Guadalajara, México; que tienen 46,5 m2 de área superficial para crecimiento biológico,
distribuidos de la siguiente manera: 8 discos en la primera etapa (2 veces el tamaño de las otras) y 4 discos
en cada una de las etapas restantes. Estas placas contendrán espacios que dejarán pasar el flujo para el
crecimiento biológico adecuado. La configuración de estos espacios deberá ser tal que permita el paso de
aguas negras y aire sobre todas las superficies biológicas activas.
Eje Central Principal. Un eje central de acero macizo, soportará las cargas resultantes de los soportes, las
placas de polietileno y la biomasa. El Eje utilizado en el estudio será cuadrado (1” de diámetro) para que
los discos queden perfectamente fijos. Dicho Eje será redondeado en ambos extremos, el cual estará
soportado por chumaceras.
Chumaceras. Las chumaceras en los extremos del eje serán deslizables y autoalineables, de tipo puente.
Sistema Motriz. El sistema motriz será una unidad de motoreductor de 0,2 Hp. Con una velocidad de
salida de 15 rpm, corriente trifásica. Para obtener la velocidad deseada, se realiza la disminución
mediante los piñones.
Unidad de Bombeo. Él liquido fue llevado desde el tanque de almacenamiento hasta el sedimentador
primario, por medio de una bomba dosificada fija salenoide, modelo (A48-A), marca ADVANCE, con una
capacidad de 0,004 Hp y un caudal máximo de 7,5 lt/hr.
Tanque de Distribución. Representado por un tanque de material plástico de 200 litros de capacidad
colocado en el piso.
Tanque de Almacenamiento. Representado por un tanque de material plástico de 1000 litros de capacidad
colocado a una altura de 1 metro desde el piso.
ARRANQUE DE LA PLANTA A ESCALA LABORATORIO
Para realizar el arranque de la planta se llena el reactor con aguas blancas hasta alcanzar una altura de
agua de 54 cm, ya que los discos deben estar sumergidos por lo menos un 35% de su diámetro (90 cm) en
el tanque. El agua se deja aerear por 3 días consecutivos; se extraen 36 lts de agua y se agrega 35 lt de
lodos provenientes del digestor aerobio de una Empresa de la zona, distribuidos en cada una de las etapas;
por 15 días consecutivos se alimentó el reactor manualmente con aguas residuales industriales traídas de
una Empresa Papelera, (aproximadamente 20 lt. Diarios), hasta que se puso en funcionamiento la unidad
de bombeo, desde este momento la alimentación de la planta se lleva a cabo usando agua residual
industrial que proviene de la salida del sedimentador primario de la Empresa estudiada. El
funcionamiento de la unidad de bombeo consiste en llevar el agua del tanque de almacenamiento al
sedimentador primario en donde se separan los sólidos sedimentables, a continuación por rebose se
alimenta al Biodisco, en donde se transforman los contaminantes solubles en sólidos sedimentables, los
cuales se separan el agua tratada en el sedimentador secundario por medio de una aereador mecánico. No
se requieren controles de flujo de ningún tipo. El agua residual pasa una sola vez, sin recirculación. En el
transcurso del arranque fue necesario realizar una disminución en la velocidad del motoreductor, se llevó
de 6,3 rpm a 3,3 rpm, diariamente se tomaron muestras a la entrada, en cada etapa y salida de la planta
para realizar los análisis que se mencionan a continuación:
Oxígeno Disuelto (O.D.)
Sólidos Sedimentables (SS)
Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO)
Demanda Química de Oxigeno (DQO)
Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV)
pH
Bases de Diseño a Escala. En esta sección se presentan los diferentes criterios de diseño para la planta a
escala piloto de biodiscos.
Demanda Bioquímica de Oxigeno a la Entrada. La concentración de la demanda bioquímica de oxigeno se
estimó en 1.200 mg/lt. Siendo un valor representativo para estudios futuros.
Carga Orgánica. La carga orgánica se estimó en un valor de 10 Kg DBO/1000 m2-d.
Caudal de Alimentación. Se tomó en cuenta el caudal máximo que suministra la bomba dosificadora
utilizada, siendo de 180 lt/d.
Carga Hidráulica en el Sedimentador. La carga hidráulica en el sedimentador, se estimó en 5 m3/m2-d.
Todos los valores antes mencionados se asumieron a fin de realizar estudios futuros.
Diseño de los Sedimentadores a Escala. Estos Sedimentadores poseen una configuración de media tolva,
con cuarenta centímetros (49 cm) de largo y sesenta centímetros (60 cm) de altura, siendo el volumen
igual a 15 litros.
Diseño de Biodisco a Escala. Basándose en los biodiscos que han sido diseñados y patentados por el
Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), construidos por ICO,
S.A. de C.V., Guadalajara México, de los cuales se conocen que están fabricados con 250 placas de 3,60
m, de diámetro y un área total de 9.300 m2.
Para el diseño del Biodisco en estudio se considero una escala de 1.200 en relación al Biodisco de 9.300
m2, de donde se obtiene un área de placas de 46,5 m2. El diámetro de cada placa es de 90 cm. De donde
el área por placa será:
A= n x 0,902/4 x 2 x 1,83= 2,32 m2
Por lo que se requieren:
(1)
N= A1/A
(2)
N= 46,5 m2/2,32m2 = 20 placas
Volumen del reactor: Se tomaron como bases de diseño para el mismo, un largo de 1,15 m, ancho 1m en
la parte superior; 0,70 m. En la parte inferior y 0,60 m de altura. El volumen del reactor (Vr) resultó de
667 litros. El volumen real ocupado por el líquido en el reactor es de 59 litros.
DESCRIPCION TECNICA DEL BIODISCO
Número de etapas. 4 Diámetro exterior en metros 0,90 Area de Discos Primera Etapa en
m2 18,56 Area de discos segunda, tercera y cuarta etapa en m2 9.28 Longitud de eje central en
metros 1,20 Potencia instalada en Hp 0,20 Velocidad de operación en rpm 3,30
Definición de Símbolos:
DBO
DQO
SST
Q
So
S
E
Co
V:
t
Xr
SSV
PI
Qw
CV
Ac
Acpb
COo
Ctorta
C.S
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Demanda Bioquímica de Oxigeno (mg/l)
Demanda Química de Oxigeno (mg/l)
Sólidos Suspendidos Totales (mg/l)
Caudal de entrada al sistema (l/día)
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), a la entrada del reactor biológico (mg/l)
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), a la salida del reactor biológico (mg/l)
Eficiencia de Remodelación (%)
Carga Organica (Kg DBO/día)
Volumen (m3)
Tiempo de retención hidráulico (hr)
Concentración de microorganismo en la purga de lodos (mg/l)
Sólidos Volátiles Suspendidos (mg/l)
Producción de lodos (MK SVS/día) (purga de lodos)
Disposición de lodos (l/día)
Carga sobre Vertederos (m3/m2-día)
Area Total de Contacto (m2)
Area total de contado por biodisco (m2)
Concentración inicial de Sólidos
Concentración de torta de lodos (%)
Carga Superficial (m3/m2 día)
Resultados Estudios a Escala Laboratorio
Tabla 1
Parámetro Entrada Salida E (%) D.Q.O. (mg/l) 1120 165
8 37 S.S.T. (mg/l) 313 37
88.20
85.30 D.B.O. (mg/l)
330
PLANTA A ESCALA REAL
La planta de tratamiento diseñada y construido una vez concluido el estudio de simulación tiene los
siguientes datos.
Reactor Biológico (Biodisco):
Q diseño = 10L/S.
So = 364 mg/l
COo = 315 KG/DBO-d
Pl = 126 KG/SSV-d
Ao = 18662 m2
Xr = 8000 mg/l
Acpb = 9300 m2
Qw = 23 m3/d
Sedimentador Secundario:
V = 72m3
t = 2.00 hr
C.S =30 m3/m2 - d
CV = 75 m3/m2 – d
Tanque de Oxidación Química
V = 27 m3
t = 45 min
Tanque de Almacenamiento lodos.
V = 30 m3
t = 1.30 d
Filtro prensa lodos
Ql = 23 m3/d
Co = 0.8 %
Ctorta = 18%
RESULTADOS PLANTA ESCALA REAL
Tabla 2
Parámetro Entrada Salida E (%) D.Q.O. (mg/l) 930 92 90 D.B.O.
(mg/l) 520 19 96 S.S.T. (mg/l) 533 36 93
CONCLUSIONES
El efluente residual específico o desecho líquido proveniente de la planta papelera pudo ser tratado
biólogicamente.
El sistema de tratamiento a escala empleado, deriva información importante como es la eficiente
capacidad de remoción de contaminante orgánico, medida como DBO, la velocidad de consumo de la
carga orgánica de las bacterias, factores de crecimiento y muerte de un lodo aclimatado que recibe un agua
residual especifica, permitiendo la evaluación efectiva de los procesos de tratamiento y operaciones
unitarias que serán utilizadas en el diseño real.
Los reactores biológicos a escala representan un método funcional y efectivo para evaluar la degradación
de efluentes que contienen un alto grado de carga orgánica de acuerdo a la velocidad de consumo de dicha
carga por las bacterías ; y de los factores de crecimiento y muerte bacterial.
El diseño a escala es funcional y eficaz en lo que se refiere al método empleado (BIODISCO) y al tipo de
tratamiento escogido (película fija).
Los resultados obtenidos en el reactor biológico a escala con el objeto propuesto y responden a las
necesidades de los tratamientos biológicos aerobios para degradar el efluente de la industria de papel
estudiada.
Durante el estudio de tratabilidad del efluente en el sistema de Biodisco, se logró obtener aguas de buena
calidad, acorde a la reglamentación vigente, plasmada en las Normas, Técnicas emanadas por el
Ministerio del Ambiente.
La demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), es un parámetro importante y significativo en los sistemas de
tratamiento. En este sentido, los resultados obtenidos estuvieron por debajo de la concentración máxima
permisible según Gaceta Oficial Nro. 5021 Extraordinaria Decreto 883 del 15-12-95.
La Demanda Química de Oxigeno (DQO), presentó una remoción de 90%, aunque si se compara con el
porcentaje de remoción de la DBO, 96% se observa que es menor, esto se puede deber a la presentación de
materia orgánica como el lignino presentes en el efluente de industrias papeleras, pues este es muy
resistente al ataque biológico.
Los Sólidos Disueltos y los Sólidos Suspendidos Volátiles presentaron resultados bajos que demuestran la
eficiencia de la Planta a Escala Laboratorio.
La carga orgánica a la entrada del sistema resultó un valor medio en comparación al estimado en el
diseño. La remoción a la salida del sistema fue significativa.
Para el funcionamiento de la Planta a Escala Laboratorio de Biodisco, no se presentaron problemas
técnicos en donde fuese necesario un personal especializado debido a que la instalación de equipos es
sencilla.
En el reactor biológico no se presentaron olores desagradables, generando así una solución para plantas de
tratamiento ubicadas en zonas cercanas a residencias.
Se puede observar el comportamiento similar entre los resultados obtenidos en el estudio de simulación y
la planta a escala natural.
Las remociones en términos de DQO y BDO, las plantas a escala laboratorio y escala real, se mantuvieron
en el mismo orden; del 85% al 90% en el DQO y del 98 % en el DBO.
RECOMENDACIONES
Realizar estudios futuros con cargas orgánicas mayores a la utilizada en este estudio.
Continuar estudios sobre las variaciones cinéticas referentes : razón de utilización de sustratos
requerimientos de oxígeno, factores de carga orgánica, crecimiento bacteria, producción de lodos, que
permiten definir la cinética biológica a seguir.
Estudiar el comportamiento para cada una de las etapas de los parámetros como la Demanda Bioquímica
de Oxigeno, la Demanda Química de Oxígeno , Nitrógeno Total, Fósforo, para determinar el porcentaje
de remoción de cada una de ellas.
Tratar efluentes que provengan de otras industrias que tengan una concentración de sustrato mayor a la
usada para así verificar como es el comportamiento del Biodisco con estas características.
Los Biodiscos son recomendables para cualquier planta de tratamiento de aguas residuales con cargas
orgánicas biodegradables.
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