152492 - 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM6756.pdf · .~ Actualmente mAs de 25 millones de...

1 5 2 4 9 2

UNIVERTIDAD AUTONOMA METROPOLITMA

DIWSION DE CIENCUS BASICAS E INGENIERA4 INGENIERIA QulMIcA

. . . " " - .~ . ._ ". . . ".. . . ." ~~ ~ . . .. .~

_.. ( 7

AUTORES:

-2 UARlTNEZ LUIS GUIUERMO LIMA MUIJOZ ENRIQUE JMME

2

.

/

d //TRATAMIENTO DE AGUAS DE LA INDUSTRlA LACTE

MEDIANTE LECHOS FLUIDIZADOS ANAEROBICOS

I

!

1

Por medio de la presente, justifico la autenticidad y la confiabilidad de

los datos en el presente trabajo que lleva por titulo TRATAMIENTO DE AGUAS DE

LA INDUSTRIA LACTEA POR LECHOS FLUIDIZADOS ANAEROBICOS.

ATENTAMENTE

Vo. Bo.

3

, "..

INDICE

1. INDICE

II.OBJETIVOS

111. INTRODUCCION

IV. ANALISIS DE MERCADO

1V.A UBlCAClON DE LA ZONA V. ANTECEDENTES

VI.EXPERIMENTACI0N

. . ." - ~- . .

V1.A INSTALACION DE LOS REACTORES

V1.B CALIBRACION DE BOMBAS

V1.C DlSTRlSUClON DE TAMAÑO DE PARTICUM

V1.D CALCULO DE LAS CARACTERISTICAS DEL LECHO

V1.E HlDRODlNAMlCA DE LOS BIOREACTORES

- V1.F DETERMINACION DEL DQO

V1.G PERIODO DE ARRANQUE:FORMAClON DE LA BlOPELlCU~

VII. MODELO CINETICO

VILA ClNETlCA BlOQUlMlCA

VI1.B DESARROLLO MATEMATICO

V1I.C DETERMINACION DE LOS PARAMETROS CINETICOS

Vllll DISEÑO DEL FERMENTADOR DE FLUJO PISTON (FFP)

VIII.A RESULTADOS DEL DISE~O

IX ESTIMACION DE COSTOS

X OPERACION DEL REACTOR

XI APENDICES

APENDICE A

APENDICE B

P W - 4

6

7

10

17

19

25

28

34

41

42

50

51

56

58

65

68

74

75

75

77

79

3

i

APENDICE C

APENDICE D

APENDICE E

APENDICE F

APENDICEG

APENDICE H

XI NOMENCLATURA

XI1 BlBLlOGRAFlA .~

83

87

88

89

90

92

94

96

OBJETlvOS

Como objetivo principal se tiene el tratamiento del efluente de la industria lactea por medio de un reactor anaerobio de lecho fluidazado.

Para el diseño del reactor es primordial conocer la cinética de la reacción, para esto se diseña un experimento que nos permita obtener la Ecuaci6n de Velocidad Biologica (EVB), para llevar a cabo el experimento se plantean los siguientes objetivos específicos:

. .

- Ensamble de dos reactores empacados con diferente diámetro de particula.

- Experimentar con los reactores para conocer su hidraúlica.

- Encontrar una solución (de leche en polvo), con un DQO equivalente al duente de la industria lactea.

- Formar la biopelicula con bacterias metanoghicas.

- Experimentar en el reactor para finalmente conocer la cinbtica.

b

INTRODUCCl6N

Uno de los problemas a los que tendrá que enfrentarse la industria química en los próximos aAos es a la escases de agua, dentro de la industria química el agua resulta ser un recurso vital para la realización de un proceso químico, el agua se usa como medio de reacción, como solvente, como medio de transferencia de calor, etc., en fin los usos del agua dentro de un proceso químico pueden ser variados, sin embargo en muchas industrias el uso del agua se hace cada vez mas indiscriminada; Desde el punto de vista ecologico es recomendable que cada industria use el agua de un proceso primario, trate el efluente de este proceso y use posteriormente esta agua tratada para un siguiente proceso.

Muchas industrias saben que estan contaminando al ambiente por medio de la descarga de sus efluentes, sin embargo no hacen nada por tratar a los mismos hasta que tienen presiones económicas.

Dentro de la industria de los alimentos, la industria lactea constituye una de las principales fuentes de contaminacibn por la descarga de efluentes líquidos.

Los eftuentes de la industria lactea se caracterizan por tener una alta concentraci6n de sustancias orghnicas, las cuales pueden recuperarse y ser usadas en otros procesos secundarios.

Los m6todos que existen para tratar los efluentes líquidos son muy variados, pusde hacerse un tratamiento primario como por ejemplo rejillas, desgrasadoresdecantadores, tanques de compensaci6n, etc., psteriormente se pude hacer un tratamiento secundario, en estos se incluyen biofiltros, procesos aerados, lagunas de estabilizaci6nI digesti6n anaerobia, riego por aspersi6n.

Los parametros mas importantes a considerar dentro de la industria lactea son los siguientes:

- El PH generalmente se encuentra en el rango de 5 a 1 1 .

i

, ,.. .~ *%, . . ~ -. - . 1 - "

- El DBO es una medida de la materia organics presente y que es capaz de oxidarse por medio de procesos biologicos.

- El DQO es una medida de los compuestos organicos oxidables químicamente.

- Normalmente el DQO es mayor que el DBO.

- La turbiedad nos da una cantidad de sólidos en el efluente.

- sb/idos tofatales, resultan de la suma de los s6lidos presentes en el . ~.

eflueñte, -m& los sólidos-disueltos. . .

- AU&s grasos, generalmente son muy pocos en este tipo de efluentes.

- ~ ~ i m s , en la mayoria de los casos es caseína.

- CahohHrafos, principalmente contienen lactasa.

El d o d o para tratar efluentes que se analiza en el presente t r a b a j o , es el proces~ de digestibn anaerobia, en &te metodo dos tipos principales be badetias son importantes, las rnetanOgeniCas y las no-mfamg&kas. .

Las bacterias mfanogenicas tiene como caractdstica principal, la continuidad de su metabolismo cuando son privadas del suministro de oxígeno; durante el p m s o anaembico, estas baderias transforman los materiales Ofg&icOs complejos a mo lh las m& cortas, uno de los productos finales es metena, a d M s de esta conversidn, se produce calor, biomasa y COZ.

Con un proceso de digestidn anaerobia se busca principalmente reducir la demanda química de oxigeno (DQO), presente en el efluente.

En 1971 , buscando optimizar los procesos de digestidn anaerobia se sugiri6 utilizar peliculas microbiologicas fijadas en una &ea superficial por unidad de volúmen, con esto se logra evitar la limitaci&n por transferencia de masa ( principalmente por difusibn).

. . . , L " _ ' , . " . ~ I .... " - ...q

I

AI usar un reactor de lecho fluidizado se evita la aglomeración del sistema, y algunas de las ventajas que se obtienen al usar este tipo de reactor para la digestibn anaerobia son las siguientes:

- MAximo contacto entre el liquido y el medio granulado.

- Mínimas resistencias difusionales del líquido a través de la biopelicula, esto como consecuencia del movimiento de las particulas y de las velocidades del líquido.

- Mayor área disponible para la colonizaci6n. . ~

- Se puede operar a temperatura ambiente (20-37%).

- La produccih del metano (60% d e l biogas producido), puede ser utilizado en la planta, en algun otro proceso.

- El COZ producido puede burbujearse en agua con una fuerza ionica

grande y aunque en pequefias cantidades podemos obtener ácido carbonice.

ANAUSIS DE MERCADO

La industria lacfica en M6xico.- Para el año 2000 M6xico tendra m& de 1 0 0 millones de habitantes (50% menores de 16 anos). La leche de vaca y sus derivados son elementos fundamentales para la alimentacidn y para el desarrollo del s e r humano, especialmente en las primeras etapas de su vida. Pero la insuficiente produccibn primaria y sus altos costos son una barrera para la oferta y por lo tanto para su consumo.

.~ Actualmente mAs de 25 millones de Mexicanos no consumen- leche, el consumo percapita diario es de 302 ml., cuando el recomendado por la FA0 es de 500 ml.

En el país existen 5,494,339 vacas que producen 7,288 millones de litros de leche, casi la mitad de la produccibn se realiza con ganado de doble proposito (came y leche), ocurriendo esto principalmente en los tropicos, y produciendo en conjunto solo el 40% de la producci6n. En contraste el ganado estabutado (principalmente privado, algunos con inversibn extranjera), representa el 13% del ganado y produce el 60% de la leche.

En 1986, se estimb una demanda de m& de 9,500 millones de litros de led.re, que se incremento a razbn de 2,12% anual durante l o s siguientes 10 anos. La produccidn fue aproximadamente de 7,400 millones de litros que muestra un crecimiento de solo el 1,25% anual.

Como se ve existe un deficit de 2,l O0 millones, deficit generado principalmente en el D.F. y tres estados: Mbxico, Nuevo Lebn y G u e m , por otro lado existen 10 estados donde la produccih es mayor a la demanda: Aguascalientes, Coahuila, Chiapas, Durango, Guanajuato, Jalisco, Queretaro, Tabasco, Tlaxcala y Chihuahua. En su conjunto la evolucibn de la demanda ha provocado grandes importaciones, llegando a ser hasta del 15% del consumo nacional (145,000 Ton. de leche en polvo).

El destino de la producci6n nacional de leche es como sigue:

- 48% leche bronca para autoconsumo (3,451 millones de litros).

- 52% procesos industriales (3,739 millones de litros):

46% Pasteurizacibn.

12% Leche evaporada, descremada, condensada y dietetica.

42% dERlVADOS (quesos, cremas y mantequilla).

Las actividades industriales lecheras comprenden la pasteurización, rehidratacibn, homogeneizacih y envasado de 'leche, fabricacidn de queso, crema y mantequilla, elaboracibn de leche condensada, evaporada y en polvo, cajeta, helados, yogurth y otros.

. . . .

Esta industria aporta entre el 1 y el 1,8% del total de la produccibn del sector manufacturero y el 10% del de la industria alimentaria.

Los productos lacteos industrializados ofrecen gran ventaja para hacer accesible la leche a un gran numero de mexicanos, ya que una vez procesados y envasados son de facíl manejo y no requieren refrigeracibn. En un país con las caracteristicas de mexico y con su actual grado de desarrollo, estos productos tienen un papel determinante para alcanzar la meta de cubrir las necesidades basicas a la poblacidn del país.

Las leches industrializadas requieren, para su expansicln, de grandes inversiones de capital y modificar los habitos de consumo para incrementar su mercado, sin embago la vida uti1 de estos productos y su conmntracibn los hacen i tener grandes perspectivas en el mercado.

Metodos pmductivos y generawdn de efluentes.-Los desechos mds comunmente generados en la industria lactica son:

- Leche separada. - Suero de mantequilla. - Suero de leche. - Leches agrias y fermentadas.

1 1

Por lo tanto los efluentes de esta industria estan constituidos principalmente por diferentes diluciones de leche cruda, leche tratada, mantequilla y suero de derrames obligados o accidentales, así como restos caramelizados en depositos, tanques, utensilios, bombas, conducciones, zonas calientes, sistemas de evaporación, etc., por lo que representan un alto contenido en materia orgánica disuelta (1000 ppm de DQO).

Estos efluentes tambien contienen generalmente restos mezclados con productos químicos alcalinos utilizados para la limpieza, los compuestos químicos usualmente mas empleados son:

- Detergentes alcalinos formulados con NaOH con o sin adición de silicatos, fosfatos y agentes quelantes de calcio.

- Acido Nitrico y Fosforico (el Ac. Nitrico empleado para limpiar los tanques de acero inoxidable aumenta mucho las concentraciones de nitratos).

- Agentes esterilizantes (Hipoclorito de sodio o compuestos cuatemarios de amonio), estos detergentes son empleados a baj8s concentraciones y no ocasionan contaminaciones significativas, pro en ciertas citcunstancias pueden tener influencia en el pH del efluente.

En general el volúmen de descarga total de agua en este tipo de industrias puede ser de 1 a 3 veces el volúmen de leche manejada, dependiendo de la naturaleza del proceso, operacicin, control y requerimientos de agua como medio de enfriamiento.

Los datos reales sobre la carga orghnica y volúmen de los desechos de una planta ladea son la base de un programa racional sobre la efirninacih de efluentes y el diseno de un tratamiento de los mismos.

El deposito m& simple para la medición del flujo de desecho e8 un vertedero estandar de 90 V de corte: El mismo se localiza en una caja vertedera y equipado con un registrador de nivel de agua, esta caja se c o l o c a en la linea de caida externa del conducto de drenaje.

. . ..

La siguiente ecuacidn nos permite calcular el flujo del efluente en funci6n de la altura registrada en el nivel del vertedero:

Q = (0,0138)h5/2(3,6)

Donde;

Q = Gasto del flujo en m3hr.

h = Altura del nivel del vertedero en cm.

A continuacidn se muestra una tabla con las caracteristicas basicas de la

industria ladica:

Caractensticas generales de los efluentes lecheros.

Voiúmen del efluente (m3/l000 It de leche)

Carga OB05 (Kg/lOOO It leche)

Conmtracidn DB05 (mgllt.)

DQO/DBO

Solídos suspendidos (@It.)

PH

Temperatura (C)

Fosfatos (rnglt.)

Cloruros (mg/lt.)

Nitrogen0 (rngnt.)

1 -2

03-2

500-2000

1,4

1 -2

9-1 0,5

7,0-37,0

49

482

5 4

085-4

0'3-5

1 -50000

1 , 1 -2,8

0-250

1-13

12-21 o

46-1 930

1-1 3,2

13

.. . . . .. . ,.

Las aguas residuales de las lecherias son generalmente neutras o un poco alcalinas, pero tienen tendencia a volverse acidas muy rapidamente a causa de la fermentación de la lactosa (azúcar de la leche), transformandose en acído lactim bajo condiciones de anaerobisis. Este &do precipita la caseína, generando fuertes olores a acído Butirico, los vertidos de las plantas productoras de queso son especialmente acidas a causa de la presencia del suero.

Las aguas residuales de los procesos de la leche contienen muy poca materia en suspención (excepto el cuajo en la fabricación de queso), los &lidos presentes en las aguas residuales de las iecherias son representativos de los principales corisiituyentes de la leche: Acidos grasos de- la mantequilla, -&ina y otras proteínas de la leche, lactosa y sales orgánicas. Estos componentes pueden estar presentes en solución o suspención coloidal dependiendo del tipo de proceso aplicado a la leche. La leche y sus productos: leche desnatada, suero de mantequilla y suero de leche son de una naturaleza altamente contaminante.

Los efectos contaminantes de esta industria son, casi siempre, debidos a la demanda de oxigeno. La presencia de leche y sus subproductos en el agua tiene un marcado efecto consumidor de oxigeno, debido a la oxidación biologics. Conforme esta actividad oxidativa progresa, el oxigeno en el agua es consumido resultando en condiciones anaerobjas, causando la protolisis de la caseína preSente con su consecuente formaci6n de acidos grasos de mal olor, esta desoxigenacidn puede causar graves problemas a plantas y animales acuaticos al reducir el oxigeno disponible para su metabolismo.

Las pincipales operaciones que producen vertidos contaminantes son:

- Lavado y esterilizado de: Depositas, t w , equipos de enfriamiento, suelo, botellas, equipos de proceso, tuberias.

- Derrames y salpicaduras durante: Recepcibn, sobrellenado de tanques y equipos de proceso, averias y fugas en tanques y equipos de proceso, perdidas durante el proceso (evaporecih, lavado de cuajada, mantequilla, caseína, quesos).

- Espumados que arrastran gran cantidad de s6lidos. - Fugas en los equipos de proceso.

-. .

A continuacidn se presenta una tabla mostrando los diferentes procesos productivos de la industria lactea, proporcionando en cada caso; operaciones unitarias, efluentes principales, causas de los efluentes y DBO5, generado por cada

litro de leche procesada.

En esta tabla se empleo la siguiente simbologia:

A = Leche; 8 = Producto; C = Derrames; D = Residuos en equipos y derrames; E = Espuma; S= Suelo; P = Proceso; AA = Producto en transito; * = m@ It. de leche empleada;

ND = Sin dato. = Valor estimado;

Leche pasteurizada y uttrapasteurizada (300-700 mgDB0gt. leche).

Operaciones unitarias Efluente Causas DB05(*)

Transporte a estacifKI receptora

Vaciado en deposita de leche

Descarga en camiones tanque

Transporte a la planta de ptoceso

Vaciado en depositcrs para ~ e s a r

Hornogeneizado

Precalentado

Pasteurizado

Enfriado

Envasado

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

-~ ~

C 1 -

D 1

C 1

C 1

C 1

E 3

D 2

D 2

D 2

C 6

I

. "

'1 I

Leche condensada y evaporada (1200-1500 mg DSO# leche).

Operaciones unitarias Efluente causas DBO5 (*)

Recepción de la leche A C Pasteurizado A D 2 ~

Evaporado de la leche B D Enfriado B D 2 !

Empacado. "- C ~.

B 6 Esterilizado B D

1 i i

1 !

i . ~.. .. -

12 I

Mantequilla (600-800 mgDBOfl. leche). i

Qwacimes unitarias Efluente Causas DBO5 (7 ! . I

i R-6n de la leche A C 1 I

C m a 32% A D 2 CenWupdo de la feche S D 5 Enfriado AA D 2 P-o AA D 8"

orenado S P

i

Batida de la nata a 7% AA D 7 " 8

Lavado y drenado varias veces S P ND Estandarizado de ac. grasos S P ND

ND wkkado B D

Crema.

. . . .

Operaciones unitarias . . .

Efluente Causas DB05 (*)

Mezclado Pasteurizado Homogeneizado Enfriado

B D 3" B D 3" B C 2" B D 3 "

LIIB#=AGIYINDEwIZW: Una vez definidas las caracteristicas del Muente se buscaron las

principales compafiias que manejan este tipo de Muente.

Degremont de Mbxico nos proporciond datos de una gran cantidad de industrias Weas en la república mexicana

Los principales factores comunitarios a tomar en cuenta son, los problemas ecologicos que causa no tratar el efluente, asi como los problemas sociales que trae como consecuencia.

Uno de los factores mfrs importantes para seleccionar la zona es el económico, el elevado costo que significa transportar el agua desde un rio o un lago hasta el lugar del proceso, obliga a pensar seriamente en el tratamiento del efluente.

17

Según el experimento que se desarrolla y las caracteristicas del efluente que se tratan; tomandp en cuenta los factores antes mencionados, se decide como zona preferente a la ciudad de Querétaro, ah¡ se encuentran varias compaAias procesadoras de alimentos lacteos, dos de las empresas que manejan efluentes con caracteristicas similares a las que se desarrollan en el presente trabajo son:

Productos Carnation S.A. de C.V. Quer&aro,Qro. . ..

Especialidades Nutritivas, S.A. de C.V. Queretaro, Qro.

.

18

-

ANTECEDENTES

Fermentacibn Metano-anaerobica.-Se sabe por decadas que el empleo de esta tecnica en procesos puede ser usada para convertir desechos organicos a combustible, gas compuesto de metano (cerca del 6 6 % por volúmen), dioxido de carbono y otras impurezas. Estos procesos son considerados, sin embargo, a tener severas limitaciones en estas aplicaciones, debido a las bajas tazas de producción de bacterias, la relativa baja en la eficiencia en remover la materia orgánica y la extrema sensibilidad de los organismos a materiales tóxicos y otras fluctuaciones, que involucran variables como la temperatura y el pH.

Numerosas investigaciones han intentado aplicar algunas variaciones en la fermentacibn metano-anaerobica para el tratamiento de aguas contaminadas. Nadie a tenido exito en modificar el proceso, así que puede ser considerado una alternativa economica para un proceso aerobico convencional.

En 191 1 , Winslow y Phelps usarbn un tanque "biolitico", consistente de un tanque conico invertido, conteniendo una manta (soporte) de digestibn biomasica, para el tratamiento anaerobico de aguas domesticas. Culter, modifrcci el tanque biolitico y en un tiempo de residencia hidraulico de 13 horns, logro remover el 77% de @fidos, pero una pobre eliminacion de la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) de entre el 34 al 67%, al tratar aguas domesticas. Esta eficiencia al remover material organico es tipica en diversos procesos, semejantes como en el tanque septic0 y el filtro esthtico de pelicula anaerobica.

Lettinga, comrcializ6 una moderna versih con un proceso a cmtraflujo, U t i l i z a n d o un soporte con Iodos anaerobicos. Esto signific6 una promesa en el tratamiento de aguas residuales con una concentracih atta en la Demanda Química de Oxigeno (000) de 1 o00 mgllt., pero este proceso no es apropiado en el tratamiento de aguas domesticas.

Pretorius, hizo una combinacibn de procesos, un tipo de soporte de biomasa a contraffujo, seguido por una multimedia, un filtro estatico de tamafio gradual a contra flujo para un tratamiento anaerobico de aguas contaminadas domesticas. El fuUe capaz de conseguir una reducción total en el DQO de 78 a 90% y de 36 a 52% de DQO soluble, en un tiempo de residencia de 24 horas.

19

" .

Young y McCarty, improvisarh un proceso de tratamiento anaerobico por introduccibn del concepto de manipulacibn de la bacteria sensible, a base de un recubrimiento que crece en una superficie estatica. Sus filtros a contraflujo estan disponibles altos periodos de retencibn de la biomasa y a pequeños tiempos de residencia hidraulica, pero no son recomendables para aplicarse a aguas contaminadas con un DQO menor a 750 mgllt., y especialmente a temperaturas de 2WC o menos.

En resumen, aunque las ventajas de un proceso de fermentacibn anaerobica son conocidas, ningun acercamiento se ha desarrollado exitosamente para que pueda remover desechos organic& diluidos en agua a bajas

. . .. . .

temperaturas.

Desarrollos de peliculas adheridas en reactores de lecho expandido.- Estos desarrollos surgierbn de manera natural, al analizar los procesos existentes y la informaciiin de las limitaciones fundamentales en los procesos con peliculas microbianas adheridas a filtros, que como se sabe son facilmente manejados. En un estudio paralelo de crecimiento cinetico en procesos suspendidos y fijos, Jewel1 y MacKenzie, mostrarbn que las peliculas adheridas estaticas son capaces de acumular arriba de 10 veces m9s la masa por unidad de volúmen, sobre el sistema microbiano suspendido. Basado 8n el estudio de las caracteristicas de la peliwia microbiana aerobica y otras detos, dio por hipotesis que los reactores de peliculas fijas pueden ser m& efectivos que los reactores de crecimiento suspendido, y que el maximo de biomasa en este proceso podria aproximarse a concentraciones de solídos volatiles suspendidos de 35 @t.

Esta biomasa presenta dos problemas,- Obstaculiza eventualmente, devido a la acumulaci6n de biomasa e$pesa en espacios estaticos vacios y el total de biomasa espesa activada en las peliculas fijas fue dada por las limitaciones de difusibn del sustrato. A s í que fuS pfopuesto en 1971, que un proceso biologico bptimo deberia utilizar peliculas microbianas fijas en una &ea superficial grande, por unidad de volúmen, para minimizar las limitantes de difusi6n y que el proceso deveria ser disenado para no ser obstaculizado por la biomasa.

Un m6todo para obtener estas caracteristicas fue utilizar pequefias particulas inertes que podrian favorecer a la adhesidn microbiana. Deberia de

hacerse incapie a la reciente importancia que se ha dado y al entendimiento de los

20

. ." . . ". ."

b d m t o s la de adhesih microbiana, siendo de mayor interes a los microbiologistas. Para eliminar la obstaculizacibn fue obvio un diseAo a contraflujo, este diseno simple permite la adopcibn de una unidad similar para reactores de lechos fluidizados, usados en otras aplicaciones. Para evitar las altas tazas de flujo N requiere mantener particulas fluidizadas ( m& del 1 0 0 % en el incremento del volúmen del lecho, común en diseAos de lechos fluidizados), las velocidades de contraflujo para aquellas que requieren guardar del 10 al 20% de expansibn del lecho. Para apoyar la reducción de energias de entrada en procesos, la densidad de las particulas se recomienda sea lo m& baja posible y que sea capaz de separarse rapidamente de los fluentes de agua. A s í las baje velocidades de flujo y la expansibn de pequeAos volúmenes de lecho, representan una mayor diferencia entre los procesos de lecho expandido y los de lecho fluidizado.

Atkinson, report6 sobre un numero de diferentes tipos de peliculas microbianas fermentadas, modelos matematicos y aplicaciones para la industria de la fermentacibn. La primera aplicacih del proceso de lecho expandido para remover cabbn organico de aguas residuales, fue iniciado por Jewel1 y Cummings en 1972 y reportado en 1974 usando un sistema aerobico con oxigeno puro. Las cargas volúmetricas que excedian concentraciones en el DQO mayores de 11 Kg.Im3.dia (0,7 Ib./ft.3/dia) con un sustrato sintetico, en aguas residuales, se obtuvo eiiminar el 80% a 20%. quiza la aproximacibn m& significante de 3Og/lt: de reactor, fue establecida en este estudio. Jeris, uso et concepto de lecho fluidmdo con arena, como la media para obtener altas tazas de desnitrificacih y eliminacibn del DBO.

El estudio de peliculas adheridas en lechos expendidos con oxígeno puro, sugiere que el proceso de tazas de carga y @Ciencias fuem mejores de lo que se esperaba y la evaluacibn del modelo de enrimas i n d i c a que la eficiencia y las tazas de carga no sean determinadas unicamente sobre b8iSes biologicas.

El trabajo de ZoBell, sugiere que una Brea superficial podria cambiar 10s modelos de crecimiento bacteriano especialmente a bajas concentraciones de sustrato. Por que las particulas pequeiias en el lecho expandido tienen una Brea superficial mayor a lm2/cm3 del volúmen del reactor y algunas influencias superficiales pueden ser esperadas. Por que los autores sienten que el costo y el consumo de energia asociado con el tratamiento aerobico para la oxidacibn de carbbn no fu6 aceptable, su atención fue puesta en la fermentacibn anaerobica de

21

~.

. .

metano m i r 1974. Aunque no hay literatura que sugiera que los sustratos diluid- y frias puedan ser tratados con procesos anaerobicos, una unidad de peliwla fija anaerobica en lecho expandido, fué probada para desafiar las principales limitantes de esta temologia para usarla en procesos de aguas residuales. Las grandes &reas superficiales de las particulas y las altas concentraciones de biomasa fuerbn expuestas a cambios substanciales de procesos previamente examinados. Leuschner, condujo un pequeno estudio con un sustrato sintetico que mostraba que las concentaciones de DQO menores a 20 mg/lt. se podian tratar con peliculas fijas en reactores de lecho expandido a temperatura . . .. ambiente y con tiempos de residencia relativamente cortos.

Los primeros datos sobre el uso de peliculas fijas en reactores anaerobicos de lecho expandido, para transformar el carb6n en metano, fuerón seguidos por los siguientes estudios:

- Empleo de estiercol de vaca diluido. - Veriftcacibn del tratamiento de aguas residuales a bajas

- Analisis comprensivo de la influencia de la temperatura (10 a 30°C) y

- Una evaluaci6n reciente de la importencia de las peliculas fijas en

temperaturas.

efedos de concentraciones organicas ( 5 0 a 600 mgr'lt.n)QO)

feadofes erneerclbicos de f e c h o expandido.

Hid#cfindmica.-La fluidizaci6n es una oper8cibn en la cual partículas finas son suspendidas por el flujo de un fluido. Las particulas se encuentran en suspensibn uniformemente distribuidas en estada estacionario.

La transicibn de lecho fijo a fluidizado OCUTT~) a la velocidad minima de fluidizacih; en otras palabras la velocidad minima de fluidizacidn es el limite inferior de la velocidad del fluido a traves del lecho. La velocidad minima de fluidizacih se ha investigado muy extensamente para sistemas gas-sblido pero muy poco para sistemas líquido-sblido. Generalmente las ecuaciones para sistemas gas-&lido se han hecho extensivas a sistemas líquido-s6lido.

Wen y Yu (1 974), estudiarón la mednica de fluidizacibn y por medio de un balance de fuerzas sobre una partícula fluidizada obtuvierdn una correlacich para el cfilculo de la velocidad minima de fluidizacibn:

22

La ecuación propuesta por Wen yYU (1 974), se valid6 usando 284 datos experimentales y se reportó que la desvisaci6n esthdard entre los datos experimentales y las predicciones de la ecuaci6n den y Yu es de un 34 %. En general la ecuación M e n y Yu se recomienda para sistemas líqu-sólido.

Por otro lado se han echo intentos de predecir el comportamiento de lecho fluidizado, siendo la correlación dRicharson y .Laki-41954), la. que mejores predicciones prodona para los sistemas líquido-s6lido y partículas homogheas. Ademas Shien valido la ecuación:

donde;

U = Velocidad superficial observada. UT = Velocidad terminal.

E Porosidad del sistema. C = Fracibn votumetrica del &lido y. n = Mice de expansi6n.

Despejando el indice de expancih tenemos:

n = log (U/U~)nog e.

Considerando las ecuaciones antgfioms y aplicandolas a el punto de fluidizacidn incipiente tenemos:

~ i w m y Zeki (1954), mostrarh que la fraccibn hueca del lecho es una función del tamafio de partícula, la velocidad de flujo del fluido, el diametro de la columna y lsidad y viscosidad del fluido. Lewis y Bowerman (1 952) tambien incluyer6n la densidad efectiva para predecir la fracción de un lecho expandido. Varias correlaciones para predecir la expansibn de un lecho fluidizado se han reportado en la literatura sobre hidrodinám de lecho fluidizado.

Distribucidn de tiempos de residencia-Aunque el comportamiento real de los reactores nunca se ajusta exactamente a las situaciones idealizadas de mezcla completa, en muchos casos se aproxima tanto a estas condiciones que podemos admitir este comportamiento ideal sin incurrir en error apreciable, sin embargo,. en otros casos las desviaciones pueden ser grandes y originarse por formación de canalizaciones del flujo, por recirculación dluído, o por formación de zonas estancadas o muertas e en el reactor.

.......... ..... .......... . . . . . . . ~

Los problemas del flujo no ideal estan intimamente relacionadoscon los cambios de escala, ya que la desici6n de si ha de ensayarse o no en la planta piloto depende, en gran parte, de nuestro control sobre las variables m& importantes del proceso.

Para poder caracterizar el grado de flujo no idsal o PgMn de flujo . se utiliza una t b i e estimulo-respuesta. Et tratador e8 una su8tamia que se detecta féicihente y no perturba el tipo de flujo en el sisteme y una de entrada de impulso. Con esto obtenemos la distribueidrr de los tiempos de residencia que permite establecer el pat& de flujo existente en el sistema.

34

.... ." . . . . . " .~ I .......... - - -"

INSTALACldN DE LOS REACTORES

Los reactores se instalarbn como se muestra en la figura 1, ambos reactores son identicos y estan instalados en el rack como imágenes al espejo.

El sistema 1 , se refiere al sistema con tamaiio de partícula de O,& mm. , El lecho fijo tiene una altura de 75 cm.; el sistema 2 , es el que tiene patículas de didmetro de 0.274 mm. , el lecho-.fijo tiene-Üna altura de &I cm.

Las caracteristicas del sistema son:

d: acrílico, difimetro interno de 5 3 cm.

TA: T de polietileno eon manguera y valvula,

SR: 46 cm de largo, tygon.

E: 55 cm. de largo hllas;tsrHex 6408-15, Tygon.

EB1: 35 cm d8 largo Mesterflex 6408-1 5, Tygon

SBE: 29 cm de largo; Mastemex 6408-15, Tygon

SL: 140 cm de largo; Tygon, R-3603, 15

EBE: 1 O0 cm de largo; Tygon, R-3603,15

sg: 100 cm de largo; Tygon, R-3603, 15

sgm: 150 cm

25

BE: Bombas de motor magnbtico de uso continuo con potenciometro de control de velocidades.

Cole Palmer , Modelo 7520-25

Numero de serie; para el sistema 1 ; f91004067

para el sistema 2; f91004089.

Cabezales de policarbonato Lexan del numero 15.

Mangera Maxterflex Norpreno para alimentos, 6402-1 5. . ." . ~.

61: Bomba de motor magnético de uso continuo con potenciómetro de control de velocidades (externo).

Cole Palmer, Modelo 7553-20.

Numero de serie, 564174.

Cabezales de poilcarbonato Lexan d e l numer~ 14.

Manguera Masterflex Norpreno para alimentos, 6402-14.

Est4 conectada a un timer, HNSA, modelo S 0 K - m numero de serie, A&A14782.

Las conecciones son de polietileno.

Las vhlvulas son Cole Palmer; modelos L-06835-10,07,03.

.. .>

d

.

CAUBRACldN DE BOMBAS

Bomba de recirculacidn para el sistema 1.-Se trata de una bomba de motor magnetico de uso continuo con potencibmetro de control de velocidades, Cole Palmer, modelo 7520-25; numero de serie f91004067, con cabezales de policarbonato Lexan del numero 15.

Se realizarbn pruebas con probeta de 100 ml. para las velocidades de O a 90 (escala); para las velocidades de O a 100 se utilizb la probeta de 1 It., tomándose el tiempo de llenado de las mismas. Se hicierbn tres repeticiones; se presentan a continuaci6n los resultados:

40 46 50 60 70 80 90

100 200 300

- 527 333 151 1 02 76 61

464 180 111

"

440 552 329 365 143 142 loo 95 72 74 60 61

480 490 183 183 111 111

- o m 506,3 0,20 342,3 0,29 145,3 0,69 99,o 1,Ol 74,O 1,35 60,7 1,65

478,O 2,09 182,O 5 , s 111,o 9,Ol

Los resultados se muestran en la grafica 1

i

10

6

4

GASTO,CC/S

2

VELOCIDAD, ESCALA

GRAFICA 1. - CURVA'DE CALIBRACION CAIJBRACION DE LA BOMBA DE RECIRCULACION DEL REACTOR 1.

Bomba de m*mu/aci6n para e/ sistema 2.-El modelo es el mismo; el número de serie es f91004089; los resultados son los siguientes

Velocidad t l t2 t3 tp gasto

(escala) (s.) (s.) (s.) (s.) (cm3Is)

. .. ., . - ......" .~ . ~. . ~.

40 "" o, O00 48 685 660 654 652,3 0,153 50 566 508 505 526,3 0,190 60 239 191 187 205,7 0,486 70 126 112 114 117,3 0,585 80 84 07 07 8 6 , O 1,163 90 70 68 68 68,7 1,456

100 553 523 514 530,O 1,887 200 193 188 105 188,7 5,299 300 115 111 110 112,O 8,929

Los resultados se muestran en la grafica 2

Bombe de s/imentsu6n.-Bomba de motor maghtico de uso continuo con potenci6metro de control de velocidades (externo); Cole Palmer, modelo 7553-20, No. de serie, 5641 74; cabezales de policarbonato Lexan del No. 14; mangeras Masterflex Norpreno para alimentos, 6402-14; se utilizd una probeta de 100 ml.; los flujos referidos abajo son para una sola silida de agua (recordar que las dos entradas a los reactores estan instaladas a esta bomba). Los resultados son los siguientes:

30 I

. ... .

"- o, O0 " 61 76,O 0,97

1016,O 1234,O 1031,O 582 256,O 218,O 241 ,O 24,90 132,O 124,O 128,3 46,74 96,0 92,O 93,3 64,31 70,O 68,O 66,8 89,82 58,O 5 6 , O 56,l 106,95 &,O 48,O 46,7 128,48 42,O 42,O 41,5 144,58 38,O 38,O 38,2 157,07 37,4 37,4 37,4 160,43

32

... . ." ........ ". ... ..L . . ......̂ . . . . . . 1 O

O O m

I ....

O u) el

t .......... I ? z O fi

. . . , .......................

O O N

I . . . . .:. . . . . . . .:. . . . . . 1. ................ I \

I

I ......................... 7

............ 1

I \.... .............................. . O O 4 + w

I k I I " i Y ....................................... 3 M . A

i

c3

O r :

.I .

. .

. r . . .i . . .)

il B 3

. *

.I

.)

*

&

il

. . \

I

\ I . \-

I 4

I '

I

d

+

DISlWBUCldN DEL T-O DE PARTICUU Y CARACTuuzACldN DE LOS S6UDOS

Para poder caracterizar el tamafio de partícula , se hi26 un anhlisis por tamises de la arena.

Primero se prepararrjn dos mezclas de arena; con un diemetro promedio, Ds = 0,457 mm. Esto se hizo dibujando la campana gaussiana, con los tamafios

promedio por malla. Esta distribucibn se muestra como anhlisis diferencial en la grMtca 4; y en adlisis acumulativo en la grhfica 5.

La segunda mezcla de arena que se preparó tuvo un Os = 0,25 mm.,

tenía la distribucibn gaussiana mostrada en el análisis diferencial de la gráfica 6 y el anhlisis acumulativo mostrado en la grM1ca 7.

Como ya se explicó en la secci6n correspondiente a las actividades realizadas, ambos lechos se separan en dos partes para el sistema con Ds = 0,457 mm. y en tres partes para el sistema con Ds = 0,25 mm., por lo que se decid16

preparar los lechos con un s610 tamafio de particula promedio.

Para el sistema 1 , la arena con Ds = O,& mm., fue la obtenida de la .que

pas5 la mJla 35 (0,s m.) y se wed6 en malla 40 (0'42 mm.).

En el caw d e l sistema 2, la arena con Ds = 0,274 mm., se obtuv6 de la

que pas6 la malla 50 (0,297 mm.) y se quedd en la malla 60 (0,25 mm.).

La determinacidn de las propiedades se realiz6 de la siguiente manera:

para elsistema 1: Densidad empacada;

Peso de la probeta = 1 16,725 grs. Peso de probeta y arena = 185,331 gfs. Volúmen ocupado = 50 cm3.

34

Densidad de partícula; Peso de la probeta = 112,593 grs. Peso de probeta y arena = 182,239 grs. Volúmen de agua = 20,6 cm3. Volúmen ocupado = 50 cm 3.

6p = (182.239 QTS. - 112.593 WS.1

50 cm3 - 20,6 cm3

6p = 2,369 grs./cm3 . .~ hea superficial por unidad de masa;^ .

A , = 6 U W p D p ) Se supone un factor de esfericidad, + S= 0,89. Por lo tanto, & = 61,86 &./gr.

Para el sistema 2:

Densidad empacada; Peso de la probeta = 1 12,591 gfs. Peso de la probeta y arena = 183,423 m. Volúmen ocupado = 50 d. a2= msodaarene

volúmen ocupado. Por io tanto, B2= 1,469 gr .knt .

Densidad de particula; Peso de la probeta = 112,5519 gl.b.

Peso de la probeta y a m = 183,423 gts. Volúmen de agua = 20,l d. Volúmen ocupado = 483 d.

6P = (186.035 ars. -1 12.591 am.)

48,5 un3 - 20 cm3. ¿jP = 2,494 grs./cm3.

Area superficial por unidad de masa;

Aw = 61 (4s 6p Dp). Se supone un factor de esfericidad, Qs = 0,89. Por lo tanto, A,,,, = 98,65 d / g r

36

""

0,25

012

0,15

Of1

0,05

O

Fraccion masuca, X i 013

....*..............".f I

. . . . . . . . . . . . " . . I .

. 177 .25 .297 i

. 42

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

. I

. .

. .

Dpi, rnm.

. . . . . . . . . .

\ . . . . . .

.71

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

e 8

Grafica 4 e

+ Analisis diferencial DISTRIBUCION DE TAMAN0 DE PARTIC" Ds = 0;45 mm.

.........................

Fraccion acumulativa menor que Dpi.

Dpi, rnrn.

Grafica 5.

+ Analisis acumulativo DISTRIBUCION DE TAMAN0 DE PARTICULA Ds = 0,45 mm. . \

i

1 I

i /3 m e

./ I

"- "

I .

I I 1 h I I I m m m el m r4 m O

* o -. o . d . o . . o

O O O O

. 4

. . . . . . __,) ... .L(I," ............... .......I_. ..- ......... ~.

00 O 1

. 4 c

1 ....... p

A ".""r.."""""

...... .p.. .

I

I ................................ 1 T " 1:

9

F IP, I W

I h. ....... :. ........... "I -*

U n

- \ : i o k O G aJ

rw .\. .:. .... .:. ;. .:. .. . . . . . .... ....

\ : . . ..... .. ..... I . ........... I' . . I -

." . O + S

#. ... . . .

....... ... ...... c ........

:\ : ..... .............. I r d .

I 4- U (d N

O 4

O U u

*(I( I ........ ................... d.. ... I . .

I . ' I ' a k y..l

L

ZG n

,," _. ,. . ~ .__.- . . 1

CALCULO DE u s cARAcmmsnas DEL LECHO

Se fij6 la altura del sistema 1.- I i

L1 = 75 cm.

r = 2,75 cm.

como;

El área que tiene el sistema es:

A1 =w1*

Ya que se desea que los dos sistemas tengan la misma Area:

Tomamos, AI = A2.

Por lo tanto, la masa d e l sistema 2 8 5 :

y el volúmen es:

Por lo tanto la altura del lecho es:

L2 = v2/911'. L2 = 43,93 cm.

HIDRODINAMICA DE LOS BIOREACTORES

Velocidad minima de fluidizacidn.-Los experimentos se realizarón de la siguiente forma: Se aumentaba el gasto hasta que el lecho estuviera plenamente fluidizado, entonces se disminuye el gasto poco a poco, midiendo la altura del lecho, hasta llegar al lecho fijo (altura inicial del lecho).

Estas pruebas se realizarón tres veces para cada sistema, se promediarón y después se grafkó la velocidad vs. la altura

. ~. .

Sistema 7 : (Os = 0,46 mm.).

0,265 0,247 0,234 0,216 0,205 O, 174 0,160 o, 144 o, 129 O, 177 o, 1 02 0,084 0,078

88,4 88,9 88,6 88,6 0,252 87,s 88,O 87,8 87,0 0,252 86,3 87,O 86,9 86,7 0,379 8!5,6 86,3 86,O 86,0 0,351 84,6 85,3 85,O 85,O 0,351 82,4 83,O 83,7 83,O 0,651 80,9 81,8 82,6 81,8 0,851 79,4 80,3 79,8 79,8 0,451 77,8 78,8 78,O 78,2 0,529 76,2 76,7 76,5 76,s 0,252 75,3 75,2 75,3 75,3 0,058 75,2 74,8 75,l 750 0,208 75,2 74,7 75,l 750 0,265

Los resultados se muestran en las grhficas 8 y 9

42

Altura, cm

I S

nn I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - * - * * * " . ' 1

I

78 t ................... I

Velocidad, cm/s .

Grafica 8. -PRUEBA hl "PRUEBA h2 *PRUEBA h3

Velocidad minima de fluidizacion, Umf. Sistema 1, Dp = 0,46 mm. Altura *del lecho = 75 cm.

90

86

82

78

7 4 O

Altura (cm.)

m.....

- . . . . .

I

Cum. ptomdik. . I . . . . . . . . . . . . . . . .

Velocidad minima Sistema 1, Dp = 0,46 m. Altura del lecho = 75 cm.

I C O, 15

Velocidad (cm. /sego)

Grafica 9. +PRUEBA Ph

de fluidizacion, Umf.

Of25

Sistema 2: (Ds = 0,274 mm.) I

Velocidad hi h2 h3 hp SX

(&S) (cm) ( m (cm) (cm)

0,300 59,O 59,6 58,8 59,l 0,416 0,290 58,2 58,9 58,l 58,4 0,436 0,271 57,4 58,3 57,3 57,7 0,551 0,242 55,8 56,8 56 ,O 56,2 0,529 0,226 54,6 ~- 5611. 55,l 55,3 0,764 0,195 53,8 543 53,7 %,O 0,436 0,168 52,2 52,9 52,l 52,4 0,436 0,137 50,3 51,O 50,2 50,5 0,436

.. ~

0,121 49,3 49,9 49,2 49,5 0,379 0,095 46,6 47,3 46,Q 46,Q 0,351 0,079 453 46,0 45,s 45,7 0,289 0,069 44,5 45,O 44,7 44,7 0,200 0,050 443 45,O 44,3 44,6 0,361 0,036 443 443 44,0 44,3 0,289

Los resultados se ptssente#r en las g" 10 y 11

I

Mice de expancic5n y we/ocidad reletive.- Se graficb, Log U vs. Log E, de I

lo nque se obtuvo una recta con pendiente n y ordenada al origen UF

E = Fraccidn de espacios vacíos.

E = A1 - Volúmen de sbiidos.

"1 *

LogU=nLoge+LogUf

ensidad de partícula, 6p,

donde; V1 = Volúmen del lecho.

El volúmen de s6lidos se conoce con la d Y e' peso del lecho. Entonces 8, se expresa como:

Altura, (cm.) .

58 ,........:.........:........ . . . . . .

54 m........:.........:..:....... .

cn I . . r.";....................................... . . 'I ....................... 7 / ' I

$7 . I I

I

1 ) .# , C ..............

46 I

I

I

5

Velocidad, (cm / S )

Grafica 10. +PRUEBA hl +PRUEBA h2 x PRUEBA h3

Velocidad minima de fluidizacion sistema 2 . Dp = 0,274 mm. Aitura del lecho = 44 cm.

- ~ ~ . ~ ~ .......... ...... - . . ~ ~- ~ 2

m m O

4

m O

4

m CN O

4

CN O'

.r(

O '

w

n

m \

b

l i W J

m O o'

O

+

.-.

La masa del lecho, ml , se conoce del volúmen del lecho fijo y la densidad empacada, 61 :

m1 = Vlf/s1.

Para el sistema 7 , m1 = 2444,8 grs.

y ¿jP = 2,369 grs./cm3. . . . " . . . . . . ,

Para el sistema 2, m1 = 1533,15 grs.

y 6p = 2,494 grs./cm3.

E y Ur fueron determinados con los experimentos referidos para la velocidad minima de fluidizacibn:

0,510 0,505 0,499 0,495 0,488 0,477 0,469 0,456 0,445 0,432 0,423 0,421 0,421

0,265 0,247 0,234 0,216 0,205 O, 174 0,160 0,144 O, 129 0,117 o, 102 0,084 0,078

El DQO (Demanda Química de Oxígeno), es una medida del equivalente de oxígeno que una muestra suceptible de oxidacibn puede consumir por un oxidante fuerte.

El m6todo tradicional para determinar el DQO de una muestra consiste en hacer reflujar la muestra con 4cido slfurico y dicromato de potasio, en presencia de mercurio y plata, como catalizador, el DQO es proporcional al dicromato de potasio consumido, para conocer 6ste último se hace una valoración por retroceso con Sulfato Ferroso Amoniacal.

La manera de calcular el DQO, se explica de manera m& específica en los apendices AyB.

PERIODO DE ARRANQUE: DESARROLLO DE LA BIOPEUCULA

Con el objeto de hacer una comparacibn de la influencia del tamaAo de partícula, se acord6 alimentar a los dos reactores de identica manera, lo que quiere decir, que el flujo de alimentación será el mismo en ambos reactores. Estudios anteriores han demostrado que un buen desarrollo de la biopelicula se obtiene alimentando al reactor con una carga de DQO que aumenta conforme avanza el tiempo.

La alimentacibn al reactor siempre se mantuvó con un DQO total constante e igual a 2600 mg./lt., los tiempos de recidencia que se recomiendan en la literatura se encuentran en el rango de 0,86 a 3,33 dias.

De acuerdo a la carga de DQO fué ajustado el flujo de alimentacibn a los reactores (ver apendice Dddd).

El periodo de arranque comprende 40 dias en los cuales el DQO total se ebmpone de DQO proveniente de la solucibn de leche y DQO que provime de la solucidn de metanol, pues como ya se explic6 anteriormente el mefatlof 82) m8s faalmente degradado por las bacterias y ayuda a una formacih de la biopelicula mSs rapida. la cantidad de biomasa agregada al reador fue la apropiada para obtener una concentracidn en el reactor de 40 Kg.lm3reador.

I

Los 40 dias que comprenden el periodo de arranque se resumen en la siguiente tabla:

51

. ..

Dia Carga DQO DQO Metano1 Flujo alimentaci6n Tiempo Residencia

(KglmBdia) (mg./lt.) (It./dia) Sistema? Sistema2

O 0,325 1300 0,2230 7,990 4,680 10 0,705 1300 0,4830 3,689 2,160 20 1,081 1300 O, 7408 2,405 1,409

30 . I .I 729 ... . . . . - - W"" ~~. ~ 1,1856 1,503 0,880 35 1 ,no O 1,2130 1,470 0,860

25 1 , 729 650 1,1856 1,503 0,880

De la curva de calibraci6n para la alimentacidn se encuentra que la bomba tiene como flujo minimo 1,39 ItJdia., por lo que se incorpor6 al sistema un timer que funciona durante el arranque de la siguiente manera para obtener el flujo deseado:

O 60 1 oso to 60 20.9 20 60 32.0 25 60 51 ,O 30 60 51 ,O 35 60 52,4

Como ya se explicd anteriormente, el pH adecuado para que las bacterias desarrollen su metabolismo se encuentra entre 6 y 9, si el pH excede

52

. ,,, . ,. . . .*. - ., ~. ,. . . .* ...- *_ ,I_.

estos limites el desarrollo de la película se vería afectado, para evitar esto se implemento un metodo para controlar el pH, consistio en agregar Bicarbonato de sodio para que el i6n HCO-3 que se comporta como &ido y como base),

reaccionara con protones o iones hidroxilo para obtener el pH deseado.

Para saber la masa de NaHC03 que se debía agregar en caso de que

se presentara un pH fuera del rango, se hicierbn pruebas adicionando lentamente NaHC03 a alicuotas con pH conocido hasta alcanzar el pH deseado (se fijd un pH

como el preferente. Los resultados pueden ser revisados en el apendice E.

Las principales variables que se midierdn durante el experimento fuer6n la variacibn de DQO y el pH.

Tambien se tenia la intención de medir el C02 producido por el biogas,

sin embargo, debido a la muy baja cantidad producida , no se midib, dejando el dispositivo preparado para que en los experimentos posteriores con los reactores se pueda medir.

Durante el periodo de arranque el DQO se fue reduciendo hasta que al final del experimento llegd a reducirse en un 81%, en el reactor 2. Desafortunademente el reactor 1, se rompid estando operando en el periodo de 8fTmqU0, por lo que se retfa86 el experimento en este reactor; no 08 posible ya h a c e r una m- de los dos reactores, sin embargo se repard y se puso en funcionamiento perar que pueda ser usado en experimentos posteriores.

Los datos obtenidos durante el periodo de arranque en lo que se refiere a la variaci6n de el DQO aparecen registrados en la grafica 12 (vertambien el apendice F.).

En lo referente a las restricciones marcadas del pH en eí reactor, no se excedi6 a los limites marcados al inicio del arranque, el comportamiento del pH durante el experimento se resume en la siguiente tabla y se muestra en la grafka 13.

.. ..

3000

2500

2000

1500

1 O00

500

O O 5 10 15 20 25 30 35 40

Tiempo, (dias)

- Grafica 12. ARlAClON DEL DQO CON RESPECTO AL TIEMPO N EL REACTOR 2. l

. . . . .. . - .-

11""

Dia pH

O 6,5 4 6,5 8 6,3 9 7,O

10 6,5 12 6,7 -14 6,7 15 6,8 17 6,8 19 6,8 20 6,9 21 6,7 22 6,9 23 6,9 24 6,9 25 6,9 26 6,9 28 6,6 30 7,O 31 7,l 32 7,l 33 7,3 34 7,3 36 7,2 37 7,2 38 7,O 39 7,2 40 7, l

Comportamiento del pH (reactor 2.)

55

.........................."...."..............".... 794 t I

I

. . . ............................................ : . . . . . . I e l . . .

O 5 10 15 20 25 30 35 40

TIEMPO, (DIAS)

- Grafica 13. IMPORTAMIENTO DEL pH EN EL REACTOR 2. IN RESPECTO AL TIEMPO.

- .......... -. .. ."- ...... -, .. l_."___ .

MODELO ClNE77CO ClNE77CA BIOQU¡MlCA

U/n reactor bioquímico (o fermentador), se diseña mediante el uso de ecuaciones que expresan los balances de materia, balances de calor, velocidades de reaccibn y velocidades de flujo..

Durante la etapa de experimentación se pudó verificar que operando a temperatura ambiente se puede obtener una buena conversión, por lo que no es necesario modificar la temperatura en el reactor.

Se desea hacer el diseño de un fermentador de flujo de pistón (FFP.), 6ste fermentador se caracteriza por que todos los elementos del fluido tienen la misma velocidad y un gradiente de concentracibn sblo en direccibn del flujo.

Ve/oWad de reawc5n.-Muchas variables pueden afectar a la velocidad global de reeccibn. En sistemas homogheos la temperatura, pH y composiciones estan implicadas obviamente. En sistemas heterogheos la velocidad del transporte de materia llega a ser importante puesto que el material puede moverse de una fase a a otra. hi pues, en sistemas heterbgeneos la transferencia de masa y de calor y las cantidades relativas de las distintas fases pueden jugar una parte hportmte en la &tetminaui6n de la velocidad de reaccibn.

C i d b de reaccibn.-Una ecuacibn de velocidad caracteristica, la velocidad de reacci6n, 6sta ecuacibn se puede encontrar haciendo un andlisis teorico basado en un modelo dado de mecanismo o puede ser simplemente el resultado de un procedimiento empírico de ajuste de curvas. En cualquiera de los dos casos anteriores, l a s constantes que caracterizan a una ecuacih de velocidad se obtienen por m6todos experimentales.

La determinacidn de una ecuacibn de velocidad implica usualmte un estudio de la influencia de la concentracibn manteniendo todas las demBs variables constantes, seguido por una investigacidn de los efectos de la temperatura, pH, etc., sobre los coeficientes de velocidad.

56

Muchos experimentos han sido realizados en digestibn anaerobica, y el resultado de estos modelos se han propuesto para la Ecuación de Velocidad Biologica (EVB).

Una de las cineticas más aceptadas para procesos que incluyen digestión anaerobica con bacterias mefanog&icas, es la cinetica que fué propuesta por Cohen y Monod en 1957, la ecuación se exspresa de la siguiente manera:

N = u C - p + c. . .

donde;

N = Velocidad de transporte PO unidad de Brea de la regibn

C = Concentracibn externa del sustrato. a,p = Constantes propias para cadsa sistema particular.

implicada.

Se puede apreciar claramente que el principal objetivo de la cucpetimentaci6n lleva a cabo en el presente proyecto es hallar los valores de a y p, para &to se procede de la siguiente manera.

57

-.-."".-""""I"" "'

DESARROLLO MATEMA77CO

Tomando el siguiente modelo de película microbiana:

microorganismos

. . . . . . . . .

Espesor de la pdicula (L):

Las ecuaciones que desarrollan a continuacidn incluyen las siguientes suposiciones:

1 .- Estado estadonario biologico, 88 decir que la composici6n de la masa microbiana total permanece invariable con respedo al tiempo esar del hecho de que el &miento de cada microorganismo no se justa a este criterio.

2,- La dlula es una unidad cwyaa funcicwres no varían con el tiempo que tiene propiedades medias gue 8on funciones del entomo local.

3.- Para la masa microbiana en 8u totalidad, la distribucidn de edad de la poblacibn y las propiedades biologicas tales como viabilidad, mutacibn, seleccibn, adaptacibn, y concepcih no varian COI) el tiempo.

Haciendo un balance de materia diferencial, aplicando a la pelicu!a microbianade la figura anterior, en el que la difusi6n molecular del sustrato v0 igualada a su eliminacibn por los microorganismos, obtenemos;

2 De (d) - ans = O.

dx2 donde;

ns = Velocidad de eliminación de sustrato por unidad de área.

a = h a de microorganismos por unidad de volumen. De = Coeficiente de difusión molecular efectivo.

La velocidad de eliminacibn de sustrato ns se puede expresar de la

ns = a C.

P +c

Sustituyendo la ecuacidn (2) en la (1 ) obtenemos:

La ecuacidn anterior va acompafiada necesariamente por las siguientes condiciones de frontera:

. -enX=L;dC/cbc=O. -enX=O;C=C*.

L = Espesot de fa película. C* = Concentracidn de sustrato adyacente a la masa microbiana.

-;

Obviamente la solucidn de la ecuacidn (3) ser4 de la forma siguiente:

N = -De(dC/cbc) = g(De,a a, J3, L, C.).

anerliticamente resulta muy tedioso resolver y analizar datos en la ecuacich (3). En vista de ello es conveniente expresar el problema adimensionalmente c a n o :

- X = O; df/dX = O. - X = l ; f = l .

...-" "'." . . .. . I.""

donde;. K2 = (aa/pDe)'/2. K3 = l/p.

f = c/c*. x = (L - X)/L.

Para que la ecuación sea consistente en las dimensiones, K2 tiene

unidades de 1/L y K3 L3/M.

Ahora la solución de la ecuación (4). sera de la forma: ~- . .. . .

f = g(K2L, K3C*, X).

Notese que el numero de variables se ha reducido de 6 a sp lo 3.

En ausencia de cualquier limitación difusional en la fase sólida la velocidad de eliminación de sustrato por una película microbiana viene dada por:

N* = (aLC*ct)/(p + C*).

definiendo K1 = aL a:

N* = K1 LC*/(l + K3C"). (5)-

Multiplicando y dividiendo (5) par )(3:

N* = (K1 UK3)( K3C*/( 1 + K3C7 (6).

Definiendo N,, = K1 UK3., encontf8mos:

N* = Nm&$*/(l + K$*). ( W -

En la ecuaci6n (6), K1 debe tener dimensiones de 1/T, N* es el valor

timite del flujo N para un valor C*.

Debido a los efectos que se tendrh p o r la transferencia de masa interna, es conveniente introducir el factor de efectividad en las ecuaciones:

donde;

60

$.

1 5 2 4 9 2 h = Factor de efectividad, entre O y l.

Despejando h de la ecuación 7 :

Sustituyendo (6) en (8):

A, = (1 + K3C*)/( K1 LC*)( -De(dc/dx)x = O).

Introduciendo las variables definidas en la ecuación (4) obtenemos la siguiente expresi6n para X:

h = ((1 + K~C')/(K;!L)*)(~~/~X)~ = 1

De la ecuación (6) obtenemos:

Evaluando N/Nm, se obtiene:

N/Nma =&N*( 1 + K3C*)/ K3CW* = A,( 1 + K$*)/K$'. (1 O).

Con las ecuaciones (S), (7), y (10) es posible obtener los parametros t$dticos, estas ecuaciones se resolvierdn numoticamente, ya que amliticamente 8s muy complicado, se graficardn las soluciones pafa diferentes paramtros, los resultados se muestran en las graficas 14, 15 y 16.

Acontinuacibn se procede a hacer el analisis de los datos obtenidos axperimentalmente para hallar los valores de los pammetra dnbticos.

!

i

Los datos obtenidos en el experimento de cin&tica se reportan en el apendice H.

61

k3C*.

. . . . . . . . . . . . . 0,g t . . ; . : y / ; . ... -;.; ; . ; ; ; x / / ; . ; ; ; ; . ..... ..... . . f f f:.:::, ...... ....

.... ... ..... . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . w.. ...... .... : : : :/:: / j : : ::::: 1; g ; ; ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . .. ...S I

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . * . . . . . . . . . . . II . .e. m ..*. . * . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 10 1 O0 1 O00

Lamda.

Valores de k2L.

-0,5 "1 *3 -5 *lo 4 2 0 *30 * 4 0 1LUCION NUMERICA DE LA EC.(Q). afica 14.

" . . _" .......... "

1

094

NINmax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . . .

L . . : . . . . . . . .... :.*.*.y&#. . .I./ </: . . . . . . . ::::':. . . . j . : .y: : : -.d. .. :. ........ :Y:j . . . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . * . . . . . . . . . . . a . . . , . s . . .... % .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 10 1 O0 1 O00

K3C*

VALORES DE K2L.

-0,5 + I *3 -5 *IO *20 *30 ILUCION NUMERICA DE LA ECUACION 10 *afica 15.

i

..... ...I" .- .- .

N/Nmax.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . . I . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . .......

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ * . . e ..*. .. e . ... ........ ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... ...... * 8 . . . . . . . . o a r . . ......... d... ......e C.. ........ S ...... 4 , . . . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 1 O 0 1 O00

K36"

VALORES DE K2L

-0,5 + 1 *20 + 30 XJACION DE VELOCIDAD BIOLOGICA Iafica 16.

N* f& definido corno el valor limite de N para una determinada C*, &te m cuando el DQO es convertido en su totalidad, así N para la primer

p~llbrr e estad dada por:

N' =(fiujO)(DQOentrada)/Aw = 1 2 1 3 Wd(3500 mg/lt)/ 151245,l cm2.

N' = 0,028 mg./d.cm2

". ~- . .. . .~ .

De la ecuaci6n (7) podemos calcular X como:

h = N/N' = 0,020 mg/d. cm2/ 0,028 mgld.cm?

h = 0,714

Para las pruebas restantes obtenemos:

N N' x (mgld.cd) (mg/d.cd)

0,020 0,028 0,714 0,019 0,024 0,792 0,013 0,020 0,- 0,013 0,016 0,813 o,oo9 0,012 0,746 0,006 0,008 0,750

Promediando, obtenemos un valor de x = 0,744.

Con &te valor de A , y K2L = 3, encontramos en la grafica 4.10 un valor para K3C* = 33.

De la ecuaci6n ( 1 O), tenemos:

N/N,, = 0,74(1 + 3,5)/3,5 = 0,95.

65

"_ . . .

Con este valor de WNmW y K2L = 3, en la grM1ca 4.1 1 se obtiene un valor de K3C' = 20, por lo que K2L y K2C* no son correctos, con K3C* = 20 y I = 0,744 de la grsfica $, 1 O, se obtiene K2L = 8. Calculando:

N/NmW = 0,74( 1 + 20)/20 = 0,77.

Con éste valor y K3C* = 20, se obtiene K2L 2 8, por lo que los valores

buscados son:

- K2L =' 8. . .. - K3C' = 20.

- . .. . " "" ,. .. . . . . . . .. . . ." . .

- = 0,74

L fué medido directamente de una muestra en el reactor, obteniendose el valor de L = 44 m.

Podemos calcular K2:

K2L = 8

por lo tanto;

K2 = 8IL 8l4.4~ 1 O3 = 181 8.18 cm"

ppomediando C": C* 2250 w., por lo tanto:

K3C' = 20

por lo tanto;

p = l/K3 = 1/ 8,89 x 10-3mgAt.

p = 1123 mg/lt.

sabemos que K2 est& definido como:

por lo tanto;

Para conocer a, necesitamos el valor de De, el valor de esta constante

se tom6 de tablas (P. A. Johnson y A. L. Babb), para la difusidad de lactosa en soluci6n acuosa, el valor de De reportado es de 0,26 x 10-6 cm%., por lo tanto:

De = 0,0224 cm2/dia.

sustituyendo;

a =-K$ aD$A,.

a = (1818cm -1 ) 2 (1 12,5mg./it.)(O,O224 ct~?/dia)/151245,1 d. a = 55.237 mg/lt.d.cm2

C~ICUIO de kq: Definimos N, = (k&) L

y k2 = (w13D.)'R De donde: kl = kt D. k, = (1 81 8.18cm" )? (0.26 x 1 O c m 2 / s e g . )

kl = 0,859 S"

67

MEÑ0 DEL FERMENTADOR TUBULAR DE FLUJO PIST6N (FFP.)

Para un modelo sencillo de flujo pisth, un balance de mareria referido al sustrato limitante aplicado a una longitud diferencial de fermentador, despreciando los efectos de dispersibn, da:

Q = Flujo volum4trico por unidad de Brea de sección transversal.

De acuerdo al flujo que se maneja, se espera una limitación por la

transferencia externa de masa.

Para una pelicula delgada el flujo de sustrato se puede expresar como:

h = Cocrficiente de transferencia de masa en el &rea de transferencia.

C* = Concentracih da sustrato 80 la intdas sblido-liquido.

Igualando las ecuaciones (1 2) y (1 3):

N = h(C - Cc) = k l LC*/( 1 + K$?. (14).

La existencia de una resistencia a la transferencia externa de masa, complica la solucidn de la ecuacidn (1 1 ).

Algebraicamente es conveniente utilizar una forma linealizada de la ecuacibn de velocidad (1 4), es decir:

b8

Despejando;

C* = (hC - bl )/(h + 92).

Sustituyendo (1 6) en (1 2):

N = h(bl + b2C)/(h + b2).

De esta ultima ecuaci6n obtenemos:

Multiplicarnos po 1 = b2/b2.:

Definimos:

de donde;

Sustituyendo la ecuaci6n anterior en la ecuacibn (1 1 ) se obtlme:

Integrando tenemos:

Claro esta que b l y by! deben relacionarse con los parametros cinéticos

antes calculados, para encontrar esta relación, igualamos las ecuaciones (14) y (1 5) para obtener la siguiente ecuación:

N = b l + b2C* = k l LC*/(l + K3C*). (20).

Derivando la ecuación (20) con respecto a C* se obtiene:

b l = kq LK@( 1 + K3C*)2

b2 = k l U( 1 + K3C')z.

Para evaluar b1 y b2 es necesario seleccionar un valor apropiado de C..

El valor particular que se recomienda es el valor medio dentro del fermentador, es decir:

Z c* = lL? [C*(Z)dz. (21 ).

O

Con este valor de C*, b l y b2 quedan definidos como:

b l = K1 LK@/( 1 + K3C")2.

= KiU(1 + )(3C*p. (22).

Definiendo;

bi/b2Ci = K@/Ci. (24)

Sustituyendo (24) en (23) se obtiene:

C& = (1 + 6) EXP ( - K l W Q ) - 14. (25).

Sustituyendo (25) y (16) en la ecuaci6n (21 ), se obtim8:

Z

70

--" "

Integrando la ecuaci6n (26) tenemos:

Finalmente de la ecuaci6n (27) se obtiene: " ."

Ci = {(b&ZC*/Q) - (K&l - EXP ( -KIAr,&lQ) - (~QA&Q)I)) [1 - M' (- . . . . . . . . . " . . ." . .

Las ecuaciones (1 8), (22)' (28), (24) y (25) nos permiten realizar el disefi6 del fermentador, para aplicar estas ecueciones necesitamos el valor del coeficiente de transferencia de masa h, &e se calcula de correlaciones, la m& aceptada es la de Saterfield que relaciona a Jd como:

2.

El reynolds modificado (Re ) se define oomo: *

Re = pucdp/( l - E )

La manera de calcular R e se explica en el atpendim c .

Calculando Re : *

* Re = 17.39 / ( 1 - 0.421) = 30.034

Con este numero de Reynolds modificado, encontramos un valor de JO = 0.31

Entonces:

. .

Factor de transferencia de masa, jd. . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . - : ""......"....; . . . . . . . . ................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... p...'. ............. C . . . . . . I - . - . . . " . ' . . * ' . - . . . ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .................................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - I - . ( . , . ( 2 . . . . + , . - . . 8 . . 8 . ~ . ~ ~ . . . . , ~ . . . . 8 ' . 8 . ' . ' 8 . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , , . , . I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . . e . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . I . e . . F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....."......*;.,.~;"."""""""""".*........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . 1 . . 1 . ~ . + ~ . ~ ~ ~ l . ~ . ~ J . . I ~ ~ ~ ~ J . ' . g ~ I ~ ~ . . I ~ ~ J ~ 2 ~ ~ ~ e ~ * ~ ' 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

* . . . . . . . . . . . . . t . . 2 . : . m . I.'..:: .... I . . :. ... \ :......:. . . . :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0 , O l 10 1 O0 1 O00 1 O000

No. De Reynolds modificado, Re*.

+ Grafica 17. DEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE MASA 4RA LECHOS FLUIDIZADOS.

.

0.31 = h / Uc(p / pD)ln

h=0.31 U, I (p /pD) ' "

Sustituyendo datos:

h = 0.01 cm/s

Una vez teniendo todos los valores de los parametros a usar en el disefio, se hizó un programa que nos ayudara a resolver las ecuaciones 18,22,28,24 y 25

El algoritmo seguido para fa ejecucidn del programa es el siguiente:-

Pardmetros biologicos del sistema k&

Pardmetros fisicos A,,,, , h, L

Variables: Q y 2

Sup6ngase

Calculese y K1 de las ecuadones 18 y 22

CWmlwm CIde la eouscilbn 28

Calarlese 6 de la ecuacih 24

Calculese Cede la ecuacidn 25

Tanto el listado como los resultados del programa se encuentran en el a m i c e H

7 3

1

RESULTADOS DEL DISEIÜO

FERMENTADOR DE FLUJO PISTON:

Flujo de alimentaci6n: 100 It/seg.

Area de la secci6n transversal: 38.48 m'

Altura del reactor: 18 m.

Volumen del reactor: 692.64 m3 .. . . . .. .. . . .. . " . .. . - .~

Diametro del reactor: 7 m.

Material del reactor: concreto

CARACTERISTICAS DE OPERACION:

Flujo volumetric0 de alimentacibn: 100 It/seg

DQO de entrada: mgAt

Expansi6n del lechc~2.4 m.

Diametro de particula: 0.25 mm

Altura empacada:8 m.

Concentraci6n de biomasa: 40 Kg / m3 de reactor

Carga DQO: 5 6 . 6 4 kg/m3 Tiempo de residencia: l. 121 hr.

.

74

ES77MAClON DE COSTOS

Los reactores industriales de lechos fluidizados para digestion anaerobica que actualmente operan (Holanda y Francia) estan construidos de concreto.

De acuerdo a los datos obtenidos en el reactor, se mandb a hacer una estimacibn de costos a Polinox, con el Ingeniero Francisco Montero.

Para un reactor de concreto con capacidad -de 700 m3 el costo aproximado es de N$600 O00,OO

La construccibn del reactor se llevara a cabo en 3 meses

Se necesitaran 30 dias para su instalacibn.

OPERACldN DEL REACTOR

Este estudio puede ser aplicado a cualquier planta lactea. La mayor parte de las industrias lacteas de nuestro país se ven en la necesidad de procesar sus efluentes por varias razanes, dentro de las que estan, normas de seguridad emlogicas y la gran dificultad que dia a dia se agudiza para conseguir agua.

En la siguiente grafica se muestra un proceso de producci6n de leche y sus derivados, en la cual se señala el lugar en donde se ha de implantar el proceso de tratamiento de aguas.

75

APENDICE A

Para oxidar la materia orghica en la muestra, se us6 un horno de I

microondas reemplazando al reflujo tradicional. Los reactivos usados fuerbn: ,

- Solucibn de Dicromato de Potasio 0,l N. - Solucibn de Sulfato Ferroso Amoniacal 0,l N. - Reactivo de Acid0 sulfurico con Plata.

~~ - Sulfato Mercurico. - ..

Procedimiento:

En una cubeta de tefl6n con tapdn rosca se vierten 0,05 grs. de HgS04, 2 , 5 ~ m l . . ~ . . m u e s t r a , - ~ ~ 8 e - ~ ~ ~ ~ ~ m l ; " c ~ ~ é ~ H ~ ~ 4 " ~ " ~ ~ " " ~ ~ " ~ con Ag2SOq; se cierra y se calienta en un homo de microondas a 45 % de la

potencia por 10 minutos. Para propositos de dlculo, se necesita una referencia, a 6sta se le llama blanco y se obtiene haciendo la oxidación que se explico antes solo que en vez de muestra se adiciona agua destilada.

~ ~~~~- ~ ~-

Si al terminar el tiempo de calentamiento, el liquido adquiereiln color verdoso (o azul) es necesario diluir la muestra, ya que al titular el cambio en los colores sera inmediato lo que provocaria un alto error en el cálculo.

AI terminar el calentamiento se enfrian las cubetas a temperatura ambiente, se vierte su contenido en un matraz Erlenmeyer de 250 ml. y se diluye hasta aforar a 1 O 0 ml., se adicionan dos o tres gotas de indicador de ferroina y se titula m . l a soluci6n de Sulfato Ferroso Amoniacal. El cambio de color esperado es de verde a rojo.

Finalmente el DQO se calcula como:

77

donde;

- - .-.- 8 =-ml. detitttlante-usados para- et blanco.- -

b = mi. de titulante usados para la muestra. N = Normalidad de la soluci6n. f = Factor de diluci6n. NOTA: Las unidades del lado derecho deben ser consistentes.

I

APENDICE B DETERM/NAC/&N DEL DQO

. - . . " . . " ~~ .. . "" . " ."

. Para poder manipular la Demanda Química de Oxígeno se hicierdn pruebas para obtener el DQO como funcidn de la concentracibn de leche (la leche usada fue en polvo, marca Mileche).

Ejemplo de c4lculo:

Para una muestra (solucibn de leche con una concentracidn igual a 350 mg./lt.), se usar6n 5,7 ml. de solucidn de Sulfato Ferroso Amoniacal para titular, el blanco necesito 6,l ml. para ser valorado, la muestra fue diluida 1 :1 O, utilizando la formúla anterior tenemos:

~ ~~ ~

". . "" - ~ " - . . ~ ~-__- ~~ ~ ~

DQO (mg./lt.) = (b -a) N 8000 f . = l6.1 -5,7~~0,1~~8000)(10~ ml. de muestra 2,s

Por lo tanto: DQO = 1280 mg./lt.

Los resultados para la solución de leche se resumen en la siguiente tabla:

Concentración Titulante DQO (mg./lt.) (ml.) (mg./lt.)

1 O0 200 300 400 500 600 700 800 900

1 O00

5,90 5,85 5,71 5,60 5,48 5,40 5,30 5,19 5,13 5,05

640 800

1248 1600 1984 2240 2560 291 2 31 04 3360

Tambien se hizo una curva de calibraci6n de DQO para soluciones de Metanol, los resultados fuer6n los siguientes: ~~

" . .. . ."

+

Concentracidn Titulante DQO (mg./lt) (ml.) (mg./it.)

1 O 0 200 300 400 500 600 700 800 900

1 O00

5,65 5,55 5,52

-- -5148

-~

5,40 5,32 5,20 5,12 5,Ol 4,93

1440 1760 1856 1984 2240 2496 2880 31 36 3488 3744

~-

80

..I. ""̂. I

DQO,(mg./lt.)

O 1 O 0 200 300 400 500 600 700 800 9001 O00

Concentracion, (mg./lt)

- Grafica 18. RAFICA DE RESULTADOS DE LA SOLUCION DE ECHE

.;I 4

.I

O 200 400 600 800 1 O 0 0

Concentracion, (mg./lt.)

Grafica 19.

"CURVA DE CALIBRACION URVA DE CALIBRACION DE DQO PARA SOLU- IONES DE METANOL.

APENDEE C CARACTERIS77CAS DE LOS REACTORES

~ . . ... - ., _. .. . - ..

C. 1 Velocidad minima de tiuidizaw&n

La velocidad de fluidizacidn se determino realizando experimentos en los que se comenz6 a fluidizar el lecho hasta una velocidad en la que el lecho esta notablemente fluidizado, posteriormente se fue disminuyendo la velocidad midiendo la altura del lecho, esto se hizd hasta alcanzar la regi6n del lecho fij6, el experimento anteriorse repitid tres veces, y despues se saco un promedio, encontandose las siguientes velocidades:

Para el sistema 2. ( Os = 0,m274 mm.,) Umf = 0,069 ~m./s.l

C2. - Velocidad relativa.

Ur se puede conocere graficado log U vs log E, pues estos se

relacionan mediante la siguiente ecuacibn:

Obtenemos:

Pendiente = n. Ordenaqda al origen = log Ur

Para conocer la fracción de espacios vacios E, se sigui0 el Siguiente procedimiento:

E = VA - volúmen de sólidos. VI *

El volúmen de sólidos se conoce con la densidad de partícula 6p y la

masa del lecho, entonces la ecuación anterior puede ser expresada como:

83

Log u

=0,2

=0,4

-0,6

-1

-I ,2

Log E

Grafica 20. DETERMINACION DE W E N EL SISTEMA 2.

-0,4 -0,35 -0,3 =0,25 -0,2 -0J5 -0,l -0,05 O

.. - . - " ". . - - - - i

I I . .

L ........... . , ..... . I . .

L . . . . . . . . . . . . . . . . . l. .................................. * . : I .

L .......... d

: / : I : /

.

. ...... .# ...........

I

I I . .r ............ =0,2

/ i : / :

-0,4 / t I . t- .

: / : I =0,6 . . y . ............ L ............. c . . . . . .m . . . . . .

I . I ...................

..

-0,8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . -1 L/ : I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

/ i I I

I I

-0,4 -0,35 -0,3 -0,25 -0,2 -0,15 -0,l -0,05 O

Log E

"- Grafica 21 'ETERMINACION DE Ut-, PARA EL REACTOR 1 . SISTEMA 1 .)

& = Ul-mllGp. "1

Usando las ecuaciones anteriores, obtenemos las siguientes graficas:

De las graficas:

para el sistema 7 : n = 4,1974. Ur = 7,220 ~ m . 1 ~ .

para el sistema 2:

Considerando Ur = U J.

Calmando Ret para el sistema 7:

Ret = 33,24.

Para el sistema 2:

Ret = 17,39.

Con estos numeros de Reynolds, usamos la correlacidn de Richarson y Zaki para evaluar n.

n = (4,4 + 18 d/D)Ret-O,O' ( Ret entre 1 y 200)

Para el sistema 7:n = 4,394, comparando con el valor exsperimentaql obtenemos un error en la correlacidn del 22 %.

Para el sisfema 2: n = 4,363, comparando con el valor experimental se obtiene un error del 18 .

c I

APENDICE D DE7ERWUACloN DEL FLUJO DE AuMENTAcrdN~

- .. . .. ". .. .. ". " ." " - "" "_ ""-"""_I_._ "I.I_ _" _ _

La carga de DQO se define como:

Carga DQO = Flub de DQO (concentracibn). Volumnen empacado.

o bien:

Carga DQO = DUOIT.

donde; T = Tiempo de residencia.

El DQO permanece constante, igual a 2600 mg./lt., para una carga DQO de 1,77 Kg./m3dia, calculamos el tiempo de residencia:

T = (2,6 gr./lt,)/l,77 gr./lt.dia) = 1,47 dias.

Para el sistema 7.-

V = 1781,3 cm3 = 1,781 It.

Entonces:

F = V/t = 1,781 lt./l,47 dias = 1,213 It./dias.

Como la bomba de alimentación es común a los dos reactores, el flujo pare el segundoveactbr queda establecido y suPiempo de residencia será:

z = V/F = 1,043 It./? ,213 It/dia. = 0,86 dias.

I

I

87

. . ..

APENDICE E 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14

8,064 7,813 0,701 o, 122 0,031 o, O09 0,000 0,011 0,033 7,O 0,128 7 , O 0,720 7 , O 6,600 7,O 7,111 7,O 8,006 7 ,O

NOTA: La masa de Bicarbonato de Sodio que aparece en la tabla, es la masa necesaria para estabilizar el pH en todo el reactor.

88

APENOICE F

.. ." . - ""

. . . nno"""pendica. - _ _

los datos que se obtuvier6n fuer6n los siguientes:

O 4 8 9

10 12 14 15 17 19 20 21 22 23 24 25 26 28 30 31 32 33 34 36 37 38 39 40

"

5,29 5,40 5,75 580 5,78 5,81 5,88 5,90 5,91 5,91 5,92 5,92 5,93 5,94 594 594 5,94 594 5,95 5,95 5,94 5,94 5,97 5,97 5,98 5,97 5,97

2600 2580

61 O 61 5 61 5 570 570 555 51 2 51 2 51 2 51 2 51 2 496 496 51 2 51 2 400 400 384 400 400

1

!

1

APENDICE G

R T _ C I I I m € ? R r s . C I N E n C A S

En esta etapa, se aliment6 al reactor 2 variando el DQO de 'entrada y midiendo el DQO del efluente, el tiempo de residencia es el mismo e igual a 0.86 dias en todas las pruebas realizadas.

El reactor se mantuv6 en estado estacionario y con un nivel del líquido constante dentro del reactor la recirculacidn fue la requerida para poder hacer un analisis corno un reactor tipo tanque perfectamente mezclado.

Para un DQO de alimentacih dado, por ejemplo 2200 mg / It. El DQO de salida correspondiente es 286 mg / .It, entonces N lo podemos calcular del balance de masa para un reactor tipo tanque perfectamente mezclado como: N = Flujo(DQ0enbarb - DQO e)/ &

N = I ,213 It/dia (2200 - 286) mg/lt./l51245.1 c m 2

N = 0.015 m g/dia. c m z

Los resultados obtenidos fueron:

3500

3000

2500

2000

980

600

775

340

0.020

0.01 9

0.01 3

0.01 3

90 I 1

. . . . . . .. . ". -

w 1

1500 205 0.009

91

..,N - !

>gram Calculo;

$S Crt;

kkl,L,k3,cl,h,b2,Kl,Ci,Psi,CO,Aw,Q,Z : Real;

Icedure ReaCal ; gin;

b2:=(kkl*L)/sqr(l+k3*cl); Kl:=(h*b2)/(h+b2); ~i:=((b2*~w*z*cl)/Q)-k3*s~r(cl)*(l-exp((-Kl*Aw*Z~/Q~-~~b~*~~*~~/~~~; Ci:=Ci/(l-exp((-Kl*Aw*Z)/Q)); Psi:=(k3*sqr(cl))/Ci; Co:=Ci*((l+Psi)*exp((-Kl*Aw*Z)/Q) - Psi); cl:=Ci*((Q/(b2*Aw*Z)l*(1+Psi)k(t;exp((-Kl*Aw*Z~/~~~ - Psi);

3;

gin; kkl :=O. 859; L:=44e-03; k3:=112.5; cl:=2000; h:=0.01; Aw:=144.9; 2:=1800; Q: =2.598; Repeat

ReaCal ; Writeln(c1) ;

Until KeyPressed;

4

5.3469237173 E+02 ~~

+.,

5.3469384674 E+02 5 .3469375738 E+O2 5.3469368482 E+02 5 .3469363614 E+02 5 .3469351898 E+02 5.3469343659 E+02 5 .3469333873 E+O2 5 .3469326683 E+02 5.346931 8556 E+02 5.3469307580 E+02 5 .3469299368 E+02 5.3469294861 E+02 5 .3469290834 E+02 5 .346928531 8 E+02 5 .3469278269 E+02 5.3469271634 E+02 5.3469261945 E+02 5.3469259202 E+02 5.3469255737 E+02 5.3469245020 E+02 5 .3469237173 E+02 5.3469235122 E+02 5.3469232001 E+02 5 .3469231 002 E+02 5.3469231 O00 E+02

-. . .

" .

SIMBOLO

A,

C.

C*

C.

D.

D*

DQO

F

h

kr

k2

;nay

NOMENCLAWRA

. .. .

DEFlNlClON

Area superficial

Area superficial por unidad de

volumen

Coeficiente de velocidad


Concentracion de sustrato

Concentracion de sustrato limi-

tante que sale de un fermentador

Valor promedio de C'

~ ~~~ ~ ~

~ . . "" ~ ~~

DIMENSIONES

Difusividad efectiva del sustrato limitante

Diametro promedio de particula

Demanda Quimica de Oxigeno

Diametro de equivalente

Diametro promedio de particula

Flujo volumetrico de alimentación a

un reactor

Coeficiente de transferencia de masa

Coeficiente de velocidad biologico

Coeficiente de velociada biológico

L

L'

ML1 I"

L Tl

M La

M La

M L'3

L 2 7"

L

M Ls

L

L

L3 T'

L T"

Ti

L"

94

.

rl

M-’ L3 4

L. . . . .. .

M L2 1-’

M L2 l”

M L 2 T’

L’ Q

..a

k3 Coeficiente de velocidad biologico

. &.” ”” F n n R w n r . d n - -

N Flujo de sustrato en la interface entre

la masa microbiana y la solucidn adyacente

Flujo maximo de sustrato

Valor limite del flujo N para un valor dado

de C.

Flujo volumetrico por unidad de area de

seccion transversal

Area superficial de una particula

Velocidad minima de fluidizacibn

Velocidad relativa

Lonfitud del fermentador



Densidad empacada

Densidad de particula

Parámetro adimensional

Factor de esfericidad

Factor de efectividad

Densidad del liquido

Viscosidad del liquido

~.

~ ~~

LZ

L l”

L T’

L

M L-2 T’

M L”

M

M L” i

i

M L” i

4

f Tiempo de residencia T

96

....” .

__ """""""_.I."I_ I x . . I .... .

l. Arters, D., Fan, L.S., 1988, "ass Transfer and bed expansion of SOlid-Slurry FluidiZd Beds', ACHE J. 3 4 , 7, 1221-1224.

2. Atkinson B. 'Reactores Bioquimicos" Editorial Reverte. Espafia 1986

3. Backmeyer, D. P. ., 'Milk Wastes in sewage sludge digestion tanks",Sewage ind. Wastes 23,700 (1 951).

4. Bul-I M. A. (et al) ' Response of the anaerobic fluidized bed reactor to transients changes in process parameters ".Water Res.17 (1 1) (1983).1563-1568 . . .. .

5. Cervantes R. J. , R. S. Ruiz M., F. Lopez l. "HidrodinBmica de un bioreactor de lecho fluidizado líquido-sblido. Avances en ingeniería química", AMIDIQ. M6xico, 1991 , 161 -165.

6. Chen S. J., Ch. T. Li, W. K. Shieh. 'Anaerobic fluidized bed treatment of an industrial wastewater". Journal WPCF, 60 (1 O), (1 988). 1826- 1832.

7. Coulson, J. M., Richardson, J.E., 1964 Ingenieria Quimica, volumen 1 (editorial Reverté, Barcelona)

8. Coulson, J.M., Richardson, J.E:, 1968 Ingenieria Quimica, volumen 2 (editorial Reverté, Barcelona).

9. Dairy Industry Committee, "Dairy waste prevention and treatment." Milk plant Monthly 45, 11 (1956)

10. Foster C. G. "The potential of anaerobic digestion for treating liquid wastes 'I Water Pollut. Control . (1 984). 484-490.

11. Jewell. W. J. (et al). "Municipal waste water treatment with The anaerobic attached microbial film expanded bed process". Journal WPCF. 53 (4) (1 981 ). 482-490..

97

12. Heijen J. J. (et al). "Aplication.of anaerobic fluidizaed ded readofs .in . . - . .. .

biological waste water treatment". Starch 38 (1986). Nr. 12, 41 9428.

13. Hickey R. E., R. Owens. "Methane generation from high-strength industrial wastes with the anaerobic biological fluidized bed". Biotech. Bioeng. Symp. , 1 1, 41 3 (1 981).

14. Lester J. N. (et al). "Factors affecting biomass attachment during startup and operation of anaerobic fluidized beds". Biotech. Bioeng. 30 (1987). 61 1422

~~ ~~ ~ ~~

15. Lester J. N. (et al). "The influence of COD, hidraulic, temperature and ~ ~~ ~~ -. pk-sho&son-the-stabikt)l Qfanwrheatecl~fluie'ised-bed reactor J.

Chem. Tech. Biotechnol. 33B (1983). 221-230

16. Lewis, E. W. y E. W. Bowerman, Chem. Eng. Prog. ,48, 603 (1 952)

17. Milk Procesing Industry wasted guide., Sewage Ind. wastes 26, 299

(1954)

18. Murdock. H. R., "Industrial Wastes" Ind. Eng. Chem. 44.99 (1952).

19. Porges, N., and L. Jasewicz, Aeration of whey wastes, a COD and solis balance," Sewage Ind. Wastes, 31 , 443 (1 959)

20. Rio F. "El arte de investigar". Colección CBI. UAM (editado). México 1990.

21. Roberts, C. R., "Progress in Milk waste disposal ' I , Sewage Works J. 8,489 (1 936)

22. Rower, " Treatment of dairy waste by aeration,'' Sanitalk 3, 2 (1952)

23. Saterffield, C. N., 1970, Mass Transfer in Heterogeneous Catalysis (MIT Press Cambrige, Mass)

24. Smith J. M. "lngenieria de la Cinética Quimica 'I. Editorial C.E.C.S.A. México, 1990

. . ..,". . . "

"" .2EdwwG.X-y-t.S.*"" of" expansion in liquid bed systems'. Can. J. Chem. Eng., 1 5 4 , 116

(1 980)

26. Woolings, N. D. "Treatment of Milk wastes ". Munic. Utilities 90. 25 (1 952)

27. Yates J. G. "Fundamentals of Fluidized-bed Chemicals Processes". Editorial Butterworths. Inglaterra i983.

28.Z8ck, S. 1. "Treatment and disposal of milk wastes " Sewage Ind. Wastes, 25, 177 (1953).

152492 - 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM6756.pdf · .~ Actualmente mAs de 25 millones de...

Documents

Transcript of 152492 - 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM6756.pdf · .~ Actualmente mAs de 25 millones de...