BIORREMEDICACIÓN BTC 0450 Balance de Masas 1. Una muestra de agua residual está contaminada con hidrocarburos (representados como dodecano) y, para poder ser descargada en los cuerpos de aguas, se requiere reducir la concentración de dodecano de 100 mg/L a 0.5 mg/L. El objetivo de este pre-tratamiento es minimizar los efectos tóxicos del dodecano en bacterias y otros microorganismos. Datos de la literatura indican que la producción celular “cell yield” ̈ para un consorcio microbiano es de 0.38 g biomasa generada/g sustrato consumido. a. Calcule la demanda de oxígeno que se debe proporcionar para el tratamiento biológico de las aguas residuales. Exprese su respuesta en g O2/L agua residual. (Indique todos los pasos del balance de masa). aC12H26 + bNH3+ + cO2 à dC5H7NO2 + eCO2 + fH2O • Definir base de cálculo: 1 C12H26 1 C12H26 + bNH3+ + cO2 à dC5H7NO2 + eCO2 + fH2O • Calcular producción de biomasa por mol de C12H26, según Y=0.38 g. 0.38 𝑔 C! H" NO# 170.33 𝑔 C$# H#% 1𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# 0.57 𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# x x = 1𝑔 C$# H#% 1 𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 113𝑔 C! H" NO# 1 𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 1 C12H26 + bNH3+ + cO2 à 0.57 C5H7NO2 + eCO2 + fH2O • Balance de C: 12 = (0.57 x 5) + e e = 9.15 1 C12H26 + bNH3+ + cO2 à 0.57 C5H7NO2 + 9.15 CO2 + fH2O • Balance de N: b = 0.57 1 C12H26 + 0.57 NH3+ + cO2 à 0.57 C5H7NO2 + 9.15 CO2 + fH2O • Balance de H: (1 x 26) + (0.57 x 3) = (0.57 x 7) + 2f f = 11.86 1 C12H26 + 0.57 NH3+ + cO2 à 0.57 C5H7NO2 + 9.15 CO2 + 11.86 H2O • Balance de O: 2c = (0.57 x 2) + (9.15 x 2) + 11.86 c = 15.65 1 C12H26 + 0.57 NH3+ + 15.65 O2 à 0.57 C5H7NO2 + 9.15 CO2 + 11.86 H2O • Calcular la demanda de oxígeno: 15.65 𝑚𝑜𝑙 O# 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 99.5 𝑚𝑔 C$# H#% 1𝑔 32 𝑔 𝑂# 0.293 𝑔 𝑂# x x x x = 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 170.33𝑔 𝐿 1000 𝑚𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂# 𝐿 b. Calcule la cantidad de biomasa producida durante el tratamiento biológico. Exprese su respuesta en g biomasa/L agua residual. 0.57 𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 113 𝑔 99.5 𝑚𝑔 C$# H#% 1𝑔 0.0376 𝑔 C! H" NO# x x x x = 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 170.33𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# 𝐿 1000 𝑚𝑔 𝐿 c. Si la concentración de dodecano en el agua residual se reduce considerablemente (concentraciones traza) durante el tratamiento biológico y no existen otros contaminantes en el agua; podría esta agua ser descargada en ríos después de dicho tratamiento? Si asume algo, indíquelo. Ayuda: Puede tomar en cuenta la biomasa formada (literal b) y asumir una degradación de los compuestos de N hasta formar nitrato o N2. Esta pregunta se puede responder en dos maneras: OPCIÓN 1) Asumimos que el agua que vamos a descargar es la que proviene del tratamiento biológico de degradación del dodecano de 100 mg/L a 0.5 mg/L, es así que el agua que se descarga contiene dodecano 0.5 mg/L más la biomasa formada que eventualmente se degradará y tendrá una demanda de oxígeno. Para este fin calculamos la demanda de oxígeno, asumiendo una degradación aeróbica de la biomasa formada: C5H7NO2 = biomasa Biomasa formada (literal 1b) = 0.0376 g de biomasa/L = 37.6 mg de biomasa/L 1) Escribimos la ecuación para degradación de biomasa: 2 C5H7NO2 + 11.5 O2 à 7H2O + 10 CO2 + N2 2) Calculamos de demanda de oxígeno: 11.5 𝑚𝑜𝑙 O# 2 𝑚𝑜𝑙 biomasa x 1 𝑚𝑜𝑙 biomasa 32 𝑔 O# 1.628 𝑔 𝑂# x = 113𝑔 biomasa 1 𝑚𝑜𝑙 O# 𝑔 biomasa 1628 mg O# 37.6 𝑚𝑔 biomasa 𝑚𝑔 𝑂# x = 61.21 1000 𝑚𝑔 biomasa 𝐿 𝐿 La solubilidad del O2 en el agua, bajo condiciones ambientales típicas (20 °C y 1 atm) es de ~9.08 mg/L, por lo tanto, no hay suficiente oxígeno para tolerar el DBO arriba calculado. OPCIÓN 2) Asumimos que la concentración traza mencionada es lo que sobra después de reducir la concentración inicial de dodecano, es decir 0.5mg/L como único componente del agua. Toda la biomasa previamente formada no alcanza el río, asumiendo que ha sido previamente removida. 1) Usando los mismo cálculos que el literal 1b. pero substituyendo por 0.5mg/L de dodecano, obtenemos que se forma 0.189 mg de biomasa/L. 2) Calculamos el número de moles de biomasa formados: 0.189 𝑚𝑔 biomasa x 1 𝑚𝑜𝑙 biomasa = 1.673 x 10&% 𝑚𝑜𝑙 biomasa 113 000 𝑚𝑔 biomasa 3) Sustituimos los moles de biomasa formados en la ecuación e igualamos la ecuación: 1.673 x 10-6 C5H7NO2 + 1.171 x 10-5 O2 à 8.365 x 10-6 CO2 + 5.019 x 10-6 H2O + 1.67 x 10-6 NO3H Nótese que el N de la biomasa también debe ser completamente oxidado. La forma más oxidada es NO3-, por lo tanto se debe balancear las cargas, o se puede asumir NO3H como el estado final de oxidación. 4) Calculamos la demanda de oxígeno: 1.171 x 10&! 𝑚𝑜𝑙 O# 1.673 x 10−6 𝑚𝑜𝑙 biomasa x 1 𝑚𝑜𝑙 biomasa 32 𝑔 O# 1.982 𝑔 𝑂# x 𝑥= 113𝑔 biomasa 1 𝑚𝑜𝑙 O# 𝑔 biomasa 1982 𝑚g O# 0.189 𝑚𝑔 biomasa x = 0.375 𝑚𝑔 𝑂# /𝐿 1000 𝑚𝑔 biomasa 𝐿 Por lo tanto, si se remueve la biomasa inicialmente formada y solo se contabiliza la formada con el sobrante de dodecano (0.5mg/L), sí hay suficiente oxígeno para tolerar el DBO (Demanda Bioquímca de Oxígeno) arriba calculado, asumiendo que el cuerpo de agua receptor contienen ~9mg/L de oxígeno disuelto. Otra alternativa en esta opción es calcular la ThOD (Theoretical Oxygen Demand) del dodecano sobrante (0.5mg/L): 1 C12H26 + 0.57 NH3+ + 15.65 O2 à 0.57 C5H7NO2 + 9.15 CO2 + 11.86 H2O 15.65 𝑚𝑜𝑙 O# 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 0.5 𝑚𝑔 C$# H#% 1𝑔 32 𝑔 𝑂# 1.47 𝑚𝑔 𝑂# x x x x = 1𝑚𝑜𝑙 C$# H#% 170.33𝑔 𝐿 1000 𝑚𝑔 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂# 𝐿 La demanda teórica de oxígeno (ThOD) es baja comparado con la cantidad de oxígeno disponible en el agua. 2. Realice el balance de masas (escriba todos los pasos) de las reacciones de biodegradación aeróbica de Propilamina: C3H9N Propilamina ya contiene N en su estructura, así que no hace falta añadir fuente de N para formar biomasa, pero sí hay que oxidar completamente el N. La forma más oxidada es NO3-, por lo tanto se debe balancear las cargas ó se puede asumir NO3H como el estado final de oxidación. aC3H9N + bO2 à cC5H7NO2 + dCO2 + eH2O + fNO3H aC3H9N + bO2 + H+ à cC5H7NO2 + dCO2 + eH2O + fNO3• Definir base de cálculo: 1 C5H7NO2 aC3H9N + bO2 + H+ à 1 C5H7NO2 + dCO2 + eH2O + fNO3- • Calcular producción de biomasa por mol de C12H26, según Y=0.38. 1 𝑔 C' H( N 113 𝑔 C! H" NO# 1𝑚𝑜𝑙 C' H( N 5.03 𝑚𝑜𝑙 C' H( N x x = 0.38 𝑔 C! H" NO# 1 𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# 59.11 𝑔 C' H( N 1 𝑚𝑜𝑙 C! H" NO# 5.03 C3H9N + bO2 + H+ à 1 C5H7NO2 + dCO2 + eH2O + fNO3- • Balance de C: (5.03 x 3) = 5 + d d = 10.09 5.03 C3H9N + bO2 + H+ à 1 C5H7NO2 + 10.09 CO2 + eH2O + fNO3- • Balance de N: 5.03 = 1 + f f = 4.03 5.03 C3H9N + bO2 + H+ à 1 C5H7NO2 + 10.09 CO2 + eH2O + 4.03 NO3- • Balance de H: (5.03 x 9) + 1 = 7 + 2e e = 19.635 5.03 C3H9N + bO2 + H+ à 1 C5H7NO2 + 10.09 CO2 + 19.635 H2O + 4.03 NO3- • Balance de O: 2b = 2 + (10.09 x 2) + (19.635) + (4.03 x 3) b = 26.952 5.03 C3H9N + 26.9525 O2 + H+ à 1 C5H7NO2 + 10.09 CO2 + 19.635 H2O + 4.03 NO3-
