FACULTAD DE INGENIERIA Y CIENCIAS HIDRICAS

PROCESOS BIOLOGICOS EN INGENIERIA
AMBIENTAL
GUIA DE EJERCICIOS N° 4
Miguel A. Isla y Lisandro G. Seluy
Agosto de 2013
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Problema 1: Diseño de una planta de barros activados del tipo Garret con purga en el
reciclo.
Datos:
Caudal de agua a tratar: 3200 m3/día
DOB5 del agua a tratar: 1600 mg/l
DBO5 del agua tratada: 30mg/l
Modelo cinético: Monod con decaimiento, con
máx = 1.05 d-1; Ks = 140 mg DBO5/l; Y=0.55 mg b/mg DBO5 ; kd = 0.015 d-1
(sin lisis de la biomasa desactivada)
(A) Plantee los balances de biomasa y sustrato, y establezca los grados de libertad del sistema de
ecuaciones resultantes. Adopte valores de las variables independientes necesarias para que el
sistema quede determinado
(B) Asumiendo separación total de sólidos en el sedimentador,
1. Calcule el Volumen del CSTR
2. Calcule la producción de barros activos e inactivos
3. Calcule el caudal de purga y de efluente
4. Calcule el caudal de reciclo
5. Calcule el tiempo de residencia hidráulico, el tiempo de residencia de biomasa, el factor de
carga, el factor volumétrico de carga y el consumo específico de sustrato. Compare esos
valores con los recomendados en la literatura
6. Determine la concentración total de barros en el reactor, en la purga y en el reciclo
(C) Asumiendo que en el sedimentador la corriente efluente contiene 15 mg/l de sólidos totales,
de los cuales un 90 % es fácilmente biodegradable,
1. Estime la DBO5 del efluente
2. Manipule las variables que considere conveniente para llevar la corriente efluente a
especificación
3. Reporte las concentraciones de biomasa activa y total en reactor y reciclo en las nuevas
condiciones
4. Idem para los caudales de reciclo y purga
5. Analice sus resultados. Si las condiciones operativas se alejan de las recomendadas en la
literatura, proceda al "rediseño" de la planta
(D) Diseño del sistema de aireación
1. Estime los requerimientos de O2 del reactor operando según (B)
2. Procúrese material técnico sobre aireadores de distinto tipo
3. Diseñe el sistema de aireación y dimensione el reactor en función de las características del
sistema de aireación adoptado.
4. Reporte el consumo de potencia del sistema diseñado y verifique que el consumo específico
se encuentra dentro del rango recomendado en la literatura. Si así no fuera, produzca las
modificaciones necesarias en el diseño del sistema de aireación o en las dimensiones del
aireador.
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Problema 2: Diseñe el sistema de agitación/aireación del reactor aeróbico de una planta de
barros activados que trata un caudal de 150 m3/h de un efluente, reduciendo su DQO desde 1450
hasta 70 mg/l. Las dimensiones del reactor son 30 x 20 x 4 m. Puede suponer que no hay
nitrificación. El rendimiento observado es YX/DQO= 0.32 mg biomasa/mg DQO.
Problema 3: Diseño de una planta de barros activados con purga en el reactor.
Diseñe una planta como la que se esquematiza en la figura 1, para el tratamiento del efluente de
una industria alimenticia, el cual se genera razón de 1850 m3/d. El efluente, es totalmente
biodegradable y contiene todos los nutrientes necesarios para el crecimiento y reproducción
celular. La DQO con la que ingresa a la planta es de 1000 mg O2/L, la que debe ser reducida a
menos de 30 mg/L.
Las cinéticas de decaimiento de DQO y formación de biomasa, válidas siempre y cuando la
concentración de O2 disuelto se mantenga por encima de 4 ppm se pueden representar con el
modelo de Monod con decaimiento.
s

s
rx   máx
x  kd x ; rs   máx
x
s  KS
Y s  KS
donde s=DQO y x= biomasa activa. Los parámetros cinéticos a 20 ºC son:
 máx  0.85 d 1; Ks  120
mg sustrato
mg biomasa
; kd  0.03 d 1; Y  0.42
l
mg sustrato
Puede asumir que:
a) La temperatura promedio de operación es de 20 ºC
b) La planta estará a nivel del mar
c) El sedimentador es ideal y capaz de producir una corriente de fondo en la que la concentración
de biomasa es el doble de la de su alimentación.
d) 200 mbar de pérdida de carga en los ductos, en el caso de que su diseño incluya aireación por
difusores.
Reporte el consumo mensual de energía eléctrica ocasionado por el sistema de aireación.
3
1
2
5
4
Reactor
Biológico
Sedimentador
6
Figura 1
3
Problema 4: Resuelva el caso del Problema 1, pero con el reactor diseñado como un PFR. Siga
los siguientes procedimientos alternativos y compare los resultados entre sí:
a) Asumiendo una concentración media de biomasa activa a lo largo de todo el reactor
b) Considerando que la concentración de biomasa es función de la posición axial.
Adopte los valores de las variables necesarias para el rediseño de la planta en estas nuevas
condiciones.
Problema 5: Como Ingeniero Ambiental a cargo del sistema de tratamiento de efluentes de una
importante industria alimenticia, usted contrata a una firma de ingeniería para que provean una
planta de tratamiento de los efluentes líquidos de un nuevo sector de la fábrica, que se generarán
a razón de 1750 m3/d. Se trata de un efluente totalmente biodegradable, que presenta una DQO
de 875 mg O2/l, la que debe ser reducida a menos de 50 mg/l.
Para tener más información, usted le encargó al Laboratorio de Química y Ambiente de la FICH
la identificación del modelo cinético y la determinación de sus parámetros, proveyendo el mismo
consorcio bacteriano que la firma consultora afirma usará como inóculo, resultando:
rx   máx
s

s
x  kd x ; rs   máx
x
s  KS
Y s  KS
donde s=DQO y x= conc. de biomasa activa, con:
mg sustrato
mg biomasa
 máx  4.38 d 1; Ks  145
; kd  0.04 d 1; Y  0.48
l
mg sustrato
La firma le propone una planta de barros activados con un reactor de mezcla completa, de 12 m x
22 m, con una profundidad de 4.5 m, y purga en el reciclo. El sistema de aireación propuesto
consiste en una parrilla con difusores REPICKY dispuestos a razón de 1 difusor/m2, alimentados
con un soplador REPICKY Modelo R1.0A.
Se propone operar el reactor biológico con una concentración de biomasa activa de
aproximadamente 3500ppm y con una relación de reciclo R1.00. La concentración de biomasa
en la corriente de fondo del sedimentador es de 7000 mg/l.
Evalúe el proyecto, explicando detalladamente los fundamentos de su diagnóstico. Proponga los
cambios necesarios si no lo satisface.
Problema 6: Una industria que utiliza colorantes de tipo “azo” genera un efluente que, una vez
sometido a un tratamiento primario en el que se lo despoja de todos los sólidos en suspensión,
tiene un caudal de 3200 m3/d y una DQO de 900 mg O2/l, la que debe ser reducida a 250 mg O2/l
previo a su volcado. Nacheva et al. (Congreso AIDIS, 2008) estudiaron la degradación de un
efluente con exactamente las mismas características, demostrando que la cinética de la
degradación biológica puede representarse mediante el Modelo de Monod con Decaimiento, con
los parámetros que se muestran en la siguiente tabla:
4
Parámetros
(máx) [1/d]
Y [gSSV/gDQO]
KS [mg DOQ/l]
kd [d-1]
Valor
0,49
0,215
210
0,15
a) Sobre la base de esa cinética, diseñe una planta de barros activados con purga en el reciclo para
llevar el efluente a especificación de volcado, utilizando aireadores de membrana. La planta se
encuentra al nivel del mar. Puede asumir que el sedimentador es “casi” ideal, presentando una
concentración de biomasa en el sobrenadante de 20 ppm.
b) Verifique que en su diseño los parámetros característicos de este tipo de plantas caen dentro de
los rangos recomendados.
c) Un análisis elemental de los orgánicos disueltos en el efluente arroja la siguiente composición
global: CH1.6O0.1N0.05. Proponga los nutrientes adicionales necesarios para asegurar la relación
C:N:P recomendada en la literatura técnica y estime los consumos diarios de esos nutrientes.
Problema 7: Diseñe un sistema SBR - esto es, determine el número de reactores y el volumen de
cada uno para procesar la misma cantidad diaria de efluente- para el caso del Problema 1.

Asuma que la máxima concentración de biomasa en el reactor compatible con una
decantación en un tiempo razonable es de 6000 mg biomasa/L. En esas condiciones, al cabo
de una hora toda la biomasa presente está suspendida en el 10 % de volumen del reactor.
Adopte ese valor del tiempo como duración de la etapa de decantación.

Tenga en cuenta que en cada ciclo debe purgarse toda la biomasa producida.

Procúrese documentación técnica de bombas centrífugas. Le será útil para la estimación de la
duración total de cada ciclo.

Diseñe el sistema de aireación.

Genere un diagrama indicando los tiempos de cada etapa del ciclo para cada reactor.
Problema 8: Debe tratarse un agua residual para llevar su DBO5 desde 200 a 20 mg/l. El caudal
del agua a tratar es 3800 m3/d. Experiencias a escala banco permitieron obtener los siguientes
valores de los parámetros cinéticos a 20 °C de un Modelo de Monod con decaimiento:
  39
. d 1; Ks  100 mg / l; kd  0.07 d 1; Y  0.65 gb / gDBO5
Cuando la cinética se modela con un sistema de primer orden:
rDBO5  k  DBO5 , resulta k20°C = 2.5 d-1.
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a) Diseñe una laguna aireada para conseguir el objetivo buscado, adoptando el modelo de Monod
con decaimiento. La localidad donde estará emplazada la laguna se encuentra a 600 m sobre el
nivel del mar, registrándose una temperatura media de 30 °C en verano y 10 °C en invierno.
Puede adoptar un coeficiente de 1.06 para predecir la variación de los parámetros cinéticos con la
temperatura. La profundidad recomendada de la laguna es de 3 m.
b) Compare sus resultados con los que obtendría si adopta un SRT = 4 d.
c) Idem si modela el sistema con una cinética de primer orden.
Problema 9: Realice una búsqueda bibliográfica de correlaciones para la estimación del Número
de dispersión en canales abiertos. Apoyado en esas correlaciones, prediga la performance de la
laguna por usted diseñada en el Problema 8, pero modelándola como un reactor tubular
facultativo, con flujo dispersivo, en la que la cinética de desaparición de sustrato puede
modelarse como rDBO5  k  DBO5 , con k = 0.8 d-1.
Problema 10: Diseñe un digestor anaeróbico (CSTR) para tratar el barro proveniente de un
tratamiento primario que procesa 37800 m3/d de agua residual. El tratamiento primario remueve
0.15 kg de sólidos /m3 y 0.14 kg DBO/m3. El barro tiene un 95 % de humedad, y una densidad de
1.02 g/ml. Su reactor debe reducir la DBO en un 60% y operará a 35 ºC.
Problema 11: Diseñe un sistema de filtros percoladores rellenos capaz de reducir la DBO5 de un
agua residual de origen domiciliario alimentada a razón de 7600 m3/d desde 200 a 25 mg O2/l,
con los siguientes criterios alternativos de diseño:
a) igual eficiencia en ambos filtros
b) igual volumen de ambos filtros
c) mínimo volumen total
Adopte en todos los casos R=2.
Chequee los valores de carga hidráulica, carga orgánica y otros parámetros característicos para la
alternativa que considere más conveniente y analice la sensibilidad de ese sistema a la relación de
reflujo.
Problema 12: Obtenga información técnica sobre RBC y resuelva nuevamente el ejercicio 11
utilizando esa información. De no encontrar información, adopte la correspondiente al ejemplo
desarrollado en clase.
Problema 13: Una industria alimenticia genera un efluente totalmente biodegradable con una
DQO = 8500 mg O2/l. Proponga un sistema para el tratamiento biológico de ese efluente y diseñe
al menos uno de los equipos. La especificación de volcado es DQOmáx = 75 mg O2/l. El efluente
no contiene sólidos suspendidos ni cantidades de N amoniacal que hagan prever una nitrificación.
El lugar de emplazamiento de la planta industrial no permite la utilización de lagunas para el
tratamiento. El caudal del efluente a tratar es de 1500 m3/d.
6
Problema 14: Diseñe un reactor UASB para tratar un efluente proveniente de una industria
alimenticia que posee una carga orgánica de 4000 mg O2/L y se genera a razón de 3360 m3/d.
Para esto tenga en cuenta los criterios de diseño discutidos en clase:
Tipo de agua
residual
DQO
(mgO2/L)
Debil
Media
Alta
Muy alta
< 750
750-3000
3000-10000
>10000
OLR
(Kg DQO/
m3 d)
1-3
2-5
5-10
5-15
SLR
(Kg DQO/
Kg SSV d)
0,1-0,3
0,2-0,5
0,2-0,6
0,2-1
HRT
(h-1)
V media
(m/h)
Eficiencia
(%)
6-18
6-24
6-24
>24
02,5-0,7
0,25-,07
0,15-,07
-
70-75
80-90
75-85
75-80
Para los cálculos tenga en cuenta que la concentración promedio de SSV para reactores que
operan en media y alta carga, se encuentra entre 25-35 g/L, y para reactores que operan en baja
carga, entre 15-25 g/L, y que éstos ocupan el 35% inferior del volumen del reactor.
La altura total del reactor no debe ser menor a los 4 m.
El tiempo de retención de sólidos generalmente se encuentra entre 50-100 d.
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