Se ha estudiado un sistema de tratamiento de aguas

SISTEMA REACTOR UASB-LAGUNA PRIMARIA. EFICIENCIA CINETICA.
AUTOR: CARLOS SOLIS MORELOS.
Proyecto CONACYT clave 468100-5-4049a
CENTRO INTERAMERICANO DE RECURSOS DEL AGUA.
FACULTAD DE INGENIERIA, UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MEXICO.
CIUDAD UNIVERSITARIA, CERRO COATEPEC. TEL (01 72 ) 14-08-55
I.- RESUMEN
Se ha estudiado un sistema de tratamiento de aguas residuales municipales, consitente en un reactor
UASB - Laguna primaria. El modelo prototipo, se encuentra ubicado en la Localidad de Ixtapan de la
Sal, en el Estado de Mèxico; el cual trata un caudal continuo de 173 m3/dìa. Para predecir la
concentraciòn esperada de materia orgànica en el efluente se ha considerado los modelos matemàticos
de: El modelo estadìstico de regresiòn lineal, el submodelo hidràulico que considera un flujo de mezcla y
el modelo Biocinètico de Monod.
II.- INTRODUCCION
Con el incremento de los centros poblacionales, de la industria y del uso y abuso de materia agrìcola
(Presticidas, insecticidas, abonos amoniacales, etc.), el caudal de aguas utilizadas se ha incrementado,
contaminando seriamente la calidad de los cuerpos receptores. Se puede tener un desarrollo econòmico
sin agredir a la naturaleza, se dispone tanto de tecnologìa manufacturera como la tecnologìa para
separar los contaminantes contenidos en los gases emitidos y en las aguas residuales.
Para pequeñas comunidades se tienen los problemas de no ser considerados en los diferentes
programas estatales y federales; de no disponer de mano de obra calificada para la operaciòn y
mantenimiento y en algunos casos de carecer de energìa electrica.
Para pequeños centros poblacionales ( Abajo de 10,000 ) habitantes, los sistemas de tratamiento, para
estas condiciones, deberàn ser:
a) Fàciles de construir.
b) Costo inicial bajo.
c) Los costos de operaciòn y mantenimiento sean mìnimos.
d) No demanden de equipo electromecànico.
e) Obtener una eficiencia razonable en la remociòn de contaminantes.
III.- MARCO TEORICO.
III.1.- En un tratamiento biològico los procesos toman lugar en un volumen y tiempo definidos; en estos
procesos es de interès conocer la tasa a la cual la materia orgànica es removida y la tasa a la que se
produce la biomasa en el reactor. En el diseño de un reactor biològico, es necesario tener en
consideraciòn los siguientes aspectos:
a) Requerimientos nutricionales de los microorganìsmos.
b) Factores ambientales que afectan el desarrollo microbiano.
c) Metabolìsmos de los microorganismos.
d) Relaciòn entre crecimiento bacterioloògico y utilizaciòn del substrato.
III.2.- EXPRESIONES MATEMATICAS DE LA CINETICA.
Para predecir la concentraciòn esperada de materia orgànica o de microorganìsmos en un sistema
biològico; es conveniente disponer de modelos matemàticos sencillos; cuyas constantes pueden
determinarse con facilidades. Los màs utilizados en los sistemas de tratamiento son:
a) Modelos empiricos: Que son los que correlacionan a los pares de puntos concentraciòn influente concentraciòn efluente; la expresiòn general de la lìnea recta que mejor envuelve a los datos, es de la
forma:
Se = B So + A
b) Asumiendo que el flujo hidràulico generado en los reactores es de mezcla completa y que tiene lugar
reacciones de primer orden.
c) Que la biocinetica sigue el modelo matemàtico de Monod y determinar de los datos obtenidos en las
corridas experimentales los valores de las constantes. K, Ks , Kd , Y y F/M.
III.2.1.- FLUJO IDEAL DE MEZCLA COMPLETA.
Un reactor con flujo continuo de mezcla completa, operando bajo condiciones de equilibrio, de manera
que las caracterìsticas del sistema no varian con el tiempo.
En este tipo de reactores la concentraciòn influente, se dispersa inmediatamnete en el contenido del
reactor, por lo que se tienen condiciones de homogeinidad y la concentraciòn de materia en el reactor es
la misma que se obtiene en el efluente. Un balance de cambio de masa de S, dentro del reactor se
puede expresar como:
Tasa de cambio en
Tasa
de
S
la masa de S = contenida en el dentro del reactor.
influente.
Tasa de S contenida
en el efluente.
-
Tasa de abatimiento de
la masa S debida a su
reacciòn en el reactor.
Lo enunciado en tèrminos matemàticos se expresa:
V ( dS / dt )n = Q So - Q Se - V ( dS / dt )r --------------------- III.1
Se asume que la cinètica es conforme a una reacciòn de primer orden, luego:
V ( dS / dt )n = Q So - Q Se - V K Se
--------------------------- III.2
Para condiciones de equilibrio la tasa de cambio S en el reactor es cero.
V ( dS / dt )n = 0 ------------------------------ III.3
Luego se tiene:
Q ( So - Se ) = V K Se
---------------------- III.4
So - Se = (V / Q ) K Se
-------------------- III.5
So / Se - 1 = (V / Q ) K
------------------- III.6
V / Q = t ----------------------------------------- III.7
So / Se = K t + 1-------------------------------- III.8
Se = So / ( 1 + K t ) --------------------------- III.9
El tiempo requerido para obtener una concentraciòn deseada de S en el efluente es:
t = 1 / K ( So / Se - 1 ) ------------------------- III.10
III.2.2.- EXPRESIONES MATEMATICAS DE LA BIOCINETICA.
En el desarrollo de los diferentes modelos matemàticos se asume los puntos siguientes:
a) Que la actividad realizada por los diferentes microorganìsmos existentes en el sistema es equivalente a
la realizada por un solo tipo de bacteria.
b) El caudal, la concentraciòn de biomasa y la concnetraciòn de substrato se consideran en condiciones
de equilibrio.
c) La actividad biològica tiene lugar en el reactor ùnicamente.
d) Se desprecia la concentraciòn de microorganìsmos en el caudal influente.
e) El tiempo de detenciòn celular es la relaciòn de la biomasa contenida en el reactor a la biomasa
extraida por dìa.
f) Se considera que en el reactor se tiene lugar un flujo de mezcla completa.
g) Las reacciones consideradas de la biomasa tinenn lugar en la fase logarìtmica.
h) Las tasas de reacciòn es conforme a una reacciòn de primer orden.
El desarrollo de los microorganìsmos en la fase logarìtmica se expresa como:
dX / dt = µ X ---------------------------- III.11
Monod considera la relaciòn entre el crecimiento bacteriano y la utilizaciòn del substrato, considerando
un ùnico substrato limitante del desarrollo microbiano, lo expresa por la ecuaciòn empìrica:
µ = µ max S / (K S + S ) ------------------ III.12
µ max = Tasa especifica màxima de crecimiento bacteriano d-1
S = Concentraciòn de substrato limitante, mg/lt.
KS = Concentraciòn del susbstrato en la cual la tasa especìfica de desarrollo es 0.5 de la tasa
especìfica màxima de crecimiento.
Combinando las dos ùltimas ecuaciones, se tiene:
d X / dt = µ max S X / (K S + S ) ---------- III.13
No todo el susbstrato disponible es utilizado por la sìntesis, ùnicamente una fracciòn manifestada por el
coeficiente de rendimiento Y (Kg de substrato utilizado para la sìntesis / Kg de substrato utilizado)
Definiendo:
K = µ max / Y ; y combinando las ecuaciones anteriores se tiene:
d S / dt = K X S / (K S + S ) ------------- III.14
En el desarrollo de microorganìsmos, se debe considerar al abatimiento de biomasa correspondiente a
la fase endògena; el cual es directamente proporcional a la concentraciòn de biomasa.
d X / dt = - Kd X ------------------------- III.15
Por lo que consideràndolo en la expresiòn III.13 queda:
d X / dt = µ max S X / (K S + S ) - Kd X ------------------- III.16
Y en tèrminos de utilizaciòn del substrato es:
d X / dt = - Y ( dS / dt) - Kd X ---------------------------- III.17
DETERMINACIÒN DE LAS CONSTANTES DE LA BIOCINETICA.
De las expresiones obtenidas, se tiene la expresiòn:
d S / dt = K X S / (K S + S ) = ( So - S ) / t ----------------- III.18
Dividiendo por X se tiene:
K S / (K S + S ) = ( So - S ) / t X ------------------------------ III.19
Para linealizar la ecuaciòn III.19 se considera el inverso
Ks 1
1
X t / ( So - S ) = -------- + ----- ------------------------------ III.20
KS
K
Luego los coeficientes KS y K se obtiene graficando X t / ( So - S ) contra 1 / S en la cual la
intercepciòn en el eje de las Y proporciona el valor 1 / K y la pendiente de la lìnea recta es el valor de la
relaciòn KS / K
IV.- DESCRIPCION DEL MODELO.
El modelo prototipo està ubicado en la localidad de Ixtapan de la Sal, Estado de Mèxico; teniendo
como localizaciòn geogràfica y caracterìsticas climatològicas relevantes las siguientes:
Altitud
Latitud Norte.
Longitud Oeste.
Temperatura media anual.
Precipitaciòn media anual.
Evaporaciòn.
Dìas despejados.
1860 M.S.N.M.
18o 51' 13"
99o 40' 28"
18.40o C
1050 mm.
1544 mm
233 dìas.
IV.1.- El modelo prototipo està integrado por las estructuras siguientes:
a) Obra de derivaciòn.
b) Sistema de Pretratamiento.
c) Caja repartidora del caudal.
d) Reactor anaerobio UASB.
e) Laguna Primaria.
f) Obras accesorias.
a) OBRA DE DERIVACION: La tuberìa emisora del sistema de alcantarillado de Ixtapan de la Sal
descarga a un desarenador; en uno de los muros laterales se ha abierto un orificio controlado por una
compuerta deslizante, la cual se regulariza para permitir el paso de un caudal de 2.0 l.p.s. ( 173 m3 / dìa
).
b) SISTEMA DE PRETRATAMIENTO: Este està formado por rejillas con barras separadas 2.5 cm.;
desarenador para un tiempo de detenciòn de 10 minutos y un vertedor triangular como aforador.
c) CAJA REPARTIDORA DE CAUDALES: Con el fin de uniformizar y el reparto uniforme en todo lo
largo del reactor, se considerò una obra de reparticiòn formada por cuatro cajas cada una provista de
un vertedor triangular; de cada caja se instalò una tuberìa de tres pulgadas de diàmetro que alimenta a
tres tuberìas del reactor de 2 1 / 2 " de diàmetro.
d) REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE Y MANTO DE LODOS: Este consiste
de: 1.- Zona de entrada. 2.- Zona de lodos. 3.- Unidad de separaciòn gas - sòlidos -lìquidos. 4.- Zona
de sedimentaciòn. 5.- Zona de salida. 6.- Extraccion de lodos excedentes. Acontinuaciòn se describen
màs claramente cada una de estas:
1.- ZONA DE ENTRADA: Esta construida por 12 tuberìas de 2 1 / 2" de diàmetro separadas por
muretes, de manera que queden aislados en nùmero de tres; a cada una de estas divisiones ( Tres
tuberìas ) descarga la tuberìa de tres pulgadas proveniente de la caja repartidora, por lo que cada tubo
del reactor es alimentado por un caudal de 2.0 / 12 = 0.17 l.p.s. Las tuberìas descargan 20 cm. arriba
del fondo del reactor.
2.- ZONA DE LODOS: Esta se localiza en la parte inferior en una secciòn troncònica con un espesor
de 1.20 mts, el volumen destinado a lodos es de 28.6 m3 .
3.- UNIDAD DE SEPARACION GAS - SOLIDO - LIQUIDO: Con el objeto de evitar que los lodos
floten impulsados por los gases que se adhieren a ellos; se ha considerado 9 pantallas triangulares,
dispuestas 5 de ellas en la parte superior y 4 en la parte inferior, la separación entre ellas es de 17 cms.
con un traslape de 18 cms. La separación entre las dos hileras es de 10 cms. En la figura No. 1 se
ilustra la sección transversal del reactor.
Influente
135
LAGUNA
PRIMARIA
280
155
:.: : . 120 . .: : .. . .:
::.: : .: ....:....:::
Efluente
100
Fig. No. 1.- Croquis de la seccióm transversal del Reactor.
Las caracteristicas hidráulicas relevantes del reactor son:
Area superior 37.1 m2
Area inferior 10.6 m2
Volumen del reactor 83.4 m3
Tiempo hidráulico de detención -------- 0.48 dias = 11.6 horas
Carga hidráulica superficial ------------- 4.66 m3/m2 dia
Número de Reynolds -------------------- 99
4.- ZONA DE SALIDA: Esta constituida por tres canaletas de concreto uniformemente separadas,
cubriendo el ancho del reactor con una longitud de 3.50 m. entre cada una lo que proporciona una
longitud total de 3.5 x 6 = 21.0 m. Como se tiene un caudal de 2 l.p.s. se tiene que el gasto por metro
de canaleta es de 0.10 l.p.s./m canaleta.
5.- EXTRACCION DE LODOS EXCEDENTES: A la altura de 1.20 del fondo; se ha instalado una
tuberia de cuatro pulgadas de diámetro, con orificios de 1 1/2" a cada 10 cms. en ambos costados,
controlado en la parte exterior por una válvula de seccionamiento para extraer los lodos ubicados arriba
de 1.20 m. La tuberia extractora descarga a una caja rompedora de presión y posteriormente a otra en
donde se ubica un vertedor triangular; de manera que tomando el tiempo de extracción y el caudal
aforado se esta en condiciones de determinar el volumen extraído diariamente.
6.- LAGUNA PRIMARIA: Consiste en un estanque de mamposteria con las dimensiones y
caracteristicas hidráulicas siguientes:
ancho = 10.60 m.
largo = 17.90 m.
tirante = 2.80 m.
volumen = 531.3 m3
tiempo de detención hidráulico = 3.07 dias
area superficial = 189.74 m2
carga hidráulica superficial = 0.91 m3/m2 dia
Como obras accesorias se considera las válvulas colocadas en el fondo de cada estructura para el
vaciado y mantenimiento de las mismas.
V.- METODOLOGIA.- Se tomaron muestras compuestas en los siguientes puntos:
a).- Influente general.
b).- Efluente del reactor.
c).- Efluente de la laguna.
d).- Lodos en el reactor (tubo toma muestras).
e).- Lodos extraídos del reactor.
Las muestras se conservaron en una hielera hasta su conducción al laboratorio.
En situ se determinaron los parámetros; temperatura, pH y conductividad, cada dos horas a
cada 50 cms. de profundidad, iniciando a las 7:00 horas y terminando a las 22:00 horas cada ocho dias.
IV.2. PARAMETROS OBTENIDOS.
Los parámetros obtenidos en cada punto de muestrreo para evaluar el sistema son:
PARAMETRO
temperatura
pH
DBO soluble y total
DQO soluble y total
solidos en suspención volátiles
solidos en suspención totales
SITIO
temperatura ambiente
temperatura en el reactor
temperatura en la laguna
en el reactor
en la laguna
se
determinó
a
muestras
compuestas,
en
los
puntos
influente general, efluente del
reactor y efluente de la laguna
se
determinó
a
muestras
compuestas,
en
los
puntos
influente general, efluente del
reactor y efluente de la laguna
se tomaron muestras compuestas
en el influente general, efluente del
reactor, efluente laguna primaria y a
las muestras compuestas de los
lodos en el reactor y lodos
extraídos
se tomaron muestras compuestas
en el influente general, efluente del
FRECUENCIA
cada 2.5 horas a cada 50 cms. y
cada 8 dias
cada 2.5 horas a cada 50 cms. y
cada ocho dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
solidos totales fijos y volatiles
turbiedad
nitritos y nitratos
alcalinidad
conductividad
sulfitos y sulfatos
reactor, efluente laguna primaria y a
las muestras compuestas de los
lodos en el reactor y lodos
extraídos
se tomaron muestras compuestas
en el influente general, efluente del
reactor, efluente laguna primaria y a
las muestras compuestas de los
lodos en el reactor
al influente general
efluente reactor
efluente laguna
al influente general
efluente reactor
efluente laguna
al influente general
efluente reactor
efluente laguna
al influente general
efluente reactor
efluente laguna
al influente general
efluente reactor
efluente laguna
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
a muestras compuestas cada ocho
dias
VI.- RESULTADOS.- De procesar los valores obtenidos de cada parámetro, los valores medios
obtenidos son:
Cuadro No.2.- Resumen de los valores medios de temperaturas en las diferentes estructuras.
Temperatura media en el reactor 20.18 0C
Temperatura media minima en el reactor 16.33 0C
Temperatura media máxima en el reactor 20.22 0C
Temperatura media en la laguna 21.96 0C
Temperatura media minima en la laguna 15.38 0C
Temperatura media máxima en la laguna 21.98 0C
Cuadro No.3.- Resumen de los valores medios de pH en las diferentes estructuras.
Promedio en el reactor ----------------------- 6.79
Promedio minimo en el reactor ------------- 6.17
Promedio máximo en el reactor ------------- 7.37
Promedio en la laguna ------------------------ 6.91
Promedio minimo en la laguna -------------- 6.22
Promedio máximo en la laguna ------------- 7.26
Cuadro No.4.- Vcalores medios de los parámetros DBO y DQO totales; para las estructuras y puntos
anotados.
Estructura
Influente general
Efluente reactor
Efluente laguna
Lodos en el reactor
Lodos extraídos
DBO total
344.10 mg/L
220.0 mg/L
197.75 mg/L
3834.20 mg/L
3332.10 mg/L
DQO total
554.20 mg/L
338.24 mg/L
239.17 mg/L
7,835.40 mg/L
4502.60 mg/L
Cuadro No.5.- Valores medios de sólidos totales, sólidos en suspención volátiles.
Estructura
Sólidos totales mg/L Sólidos suspención volátiles mg/L
Influente general
1207.6
256.76
Efluente del reactor
875.95
92.58
Efluente de la laguna
812.15
97.03
Lodos en el reactor
10,445.6
5012.32
Lodos extraídos
7,778.8
3,839.80
Parámetros calculados.Considerando los datos previamente anotados, se han calculado los parámetros siguientes.
Estructura
Carga orgánica volumétrica
Reactor
Laguna
1.5 Kgs. DQO/m3dia
Carga superficial
4.66 m3/m2dia
1920 Kgs DBO/Hadia
Eficiencias.
Eficiencia del reactor considerando DQO total ----------------- 39%
Eficiencia de la laguna considerando DQO total ---------------- 29%
Eficiencia del sistema considerando DQO total ----------------- 56.8%
VI.- CONCLUSIONES.
Para las condiciones de tiempo de detención y temperatura del agua en las diferentes
estructuras, se tiene:
REACTOR:
1.- Regresión estadistica.
Se = 0.675 So - 19.80
r = 0.971
Se = So = concentraciones de DQO total en el efluente e influente respectivamente en mg/L.
Para el rango de 50 < So < 1050 mg/L
2.- Considerando un flujo de mezcla completa.
So
Se = -------1+Kt
Se y So concentraciones de DQO TOTAL en el efluente e influente respectivamente en mg/L
0.812 < Kao < 1.18 d-1
Para el rango de 95% de confianza
3.- Constantes biocineticas.
Autor
Eddy y Metcalf
Benefield
Parámetro
Y
0.163
0.217
Kd
0.011
0.019
K
0.113
0.37
Ks
-------
LAGUNA PRIMARIA
Se consideran como Se y So a la DBO TOTAL en el influente y efluente de la laguna.
1.- Modelo estadistico
Se = 0.951 So - 47.06
r = 0.960
2.- Considerando un flujo disperso
4a So exp 1/2d
Se = -------------(1+a)2 exp a/2d
a = (1+4 Ktd)1/2
K20 = 0.17 d-1
BIBLIOGRAFIA.
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Sludges. ASLE Manager of Journal 1986.
2.Saenz Inmaculada. Depuración Anaerobia de Aguas Residuales. Seminario Técnico. Depto.
De Quimica Técnica. Facultad de Ciencias.Universidad de Valladolid, Abril 1984.
3.Vressman Warren, , Hammer Mark J. Water Supply and Pollution Control. Harper International
1985.
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5.Benefield Larry D. Biological Process Design for Wastewater Treatment. Prentice Hall 1980.
6.Metcalf and Eddy. Wastewater Engineering. Treatment. Disposal. Reuse Mc Graw Hill Co.
1979.
7.Remalho R. J. Tratamiento de Aguas Residuales. De Reverte S. A. 1991