Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un ...
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería 1-1-2008 Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar aguas residuales sintéticas aguas residuales sintéticas Juan Carlos Vargas Rojas Universidad de La Salle, Bogotá Jairo Andrés Torres Vergara Universidad de La Salle, Bogotá Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria Citación recomendada Citación recomendada Vargas Rojas, J. C., & Torres Vergara, J. A. (2008). Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar aguas residuales sintéticas. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/255 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Ambiental y Sanitaria by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact [email protected].
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
1-1-2008
Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor
biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar
aguas residuales sintéticas aguas residuales sintéticas
Juan Carlos Vargas Rojas Universidad de La Salle, Bogotá
Jairo Andrés Torres Vergara Universidad de La Salle, Bogotá
Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria
Citación recomendada Citación recomendada Vargas Rojas, J. C., & Torres Vergara, J. A. (2008). Diseño, implementación y estudio hidrodinámico de un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón para tratar aguas residuales sintéticas. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/255
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DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE FLUJO A PISTÓN
PARA TRATAR AGUAS RESIDUALES SINTÉTICAS
JUAN CARLOS VARGAS ROJAS COD 41012157
JAIRO ANDRÉS TORRES VERGARA COD: 41021700
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
PROYECTO DE GRADO
BOGOTÁ D.C.
2008
DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y ESTUDIO HIDRODINÁMICO DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE FLUJO A PISTÓN
PARA TRATAR AGUAS RESIDUALES SINTÉTICAS
JUAN CARLOS VARGAS ROJAS
COD 41012157
JAIRO ANDRÉS TORRES VERGARA COD: 41021700
Proyecto final de grado Proyecto de grado para optar al título de
Ingeniero Ambiental y Sanitario
Director ROBERTO BALDA AYALA MSc Ingeniería Sanitaria
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
PROYECTO DE GRADO
BOGOTÁ D.C.
2008
Nota de aceptación:
Firma del director
Firma del jurado
Firma del jurado
Bogotá D.C, 2008
DEDICATORIA
La ingeniería no es un recorrido prudente por una autopista despejada, sino un viaje a un terreno salvaje y extraño, en el cual los exploradores se pierden a menudo, buscando ese camino aprendemos que la ciencia son hechos de la misma manera que las casas están hechas de piedras. La ciencia esta hecha de hechos, pero un montón de piedras no es una casa y una colección de hechos no es necesariamente ciencia.
Dedico este documento investigativo a mis padres; Luis Alejandro Vargas y Ligia Rojas que son la luz que iluminan mis pasos, gracias por esa inmensa comprensión, amor, ternura, fortaleza y apoyo incondicional.
Juan Vargas
Le doy gracias a Dios porque me permitió materializar una idea que algún día pensé y más aún, cuando esta fue una meta trazada en mi vida. Dedico este documento a mi familia, Jairo Torres, Gladys Vergara y Diana Marcela Torres, por su confianza y apoyo incondicional en todo momento. La vida es un cúmulo de experiencias, buenas y malas, que en cada uno reside la mejor forma de poner en practica sus enseñanzas.
Jairo Andrés Torres Vergara
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos por los aportes al desarrollo del trabajo al Ingeniero de Alimentos. Magister en Ingeniería Sanitaria Roberto Balda por su esmero, dedicación y paciencia a lo largo de todo el proyecto, al Ingeniero Alfredo Constaín, investigador de la empresa Amazonas Technologies por sus consejos, apoyo incondicional en el desarrollo del trabajo y préstamo del Inirida Deep Flow® para las pruebas experimentales, al Economista Alejandro Parra por su asesoría y apoyo constante en el desarrollo del estudio de viabilidad técnico económica del sistema, al Ingeniero civil del laboratorio de hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia, Renny Balanta en la conceptualización del estudio hidrodinámico, al arquitecto Darío Supelano por compartir su conocimiento en el diseño estructural de planos. Es oportuno brindar un sincero agradecimiento a la Facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad de la Salle en especial al personal de servicios generales y el laboratorio de la facultad por su paciencia y don servicial durante toda la fase de experimentación, en especial al Ingeniero químico Oscar Contento y a los estudiantes de recurso agua Catalina Camelo, Andrea Leguizamón y Andrés Bastidas por su apoyo incondicional en los análisis fisicoquímicos.
“Ni la Universidad, ni los jurados, ni el director son responsables de las
ideas expuestas por el graduando” Art 95. Parágrafo 1 Reglamento Estudiantil
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 27
1. ANTECEDENTES 28
2. OBJETIVOS 32
3. REACTORES PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS 33 3.1. REACTOR DE LECHO EMPACADO 34
3.2. REACTOR DE FLUJO A PISTÓN 34
3.3. REACTOR DE MEZCLA COMPLETA 35
3.4. REACTOR POR COCHADA DE MEZCLA COMPLETA 35
3.5. REACTOR DE FLUJO CONTINUO Y MEZCLA COMPLETA 35
3.6. REACTOR DE FLUJO CON DISPERSIÓN LONGITUDINAL 35
3.7. REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO 35
4. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE UN REACTOR 37 4.1. MODELOS DE EVALUACIÓN HIDRODINÁMICA 38
4.1.1. Modelos de acuerdo al principio de las cajas negras 39
4.1.2. Modelo del flujo de mezcla completa 39
4.1.3. Modelo de flujo pistón 39
4.1.4. Modelo de celdas o cascada 40
4.1.5. Modelo de flujo laminar unidimensional 40
4.1.6. Modelo de Cholette y Cloutier 40
4.2. MODELO SIMPLIFICADO DE LA TEORÍA WOLF-RESNICK 41
4.3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL INIRIDA DEEP FLOW 42
5. FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS 45
5.1. PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UN PROCESO DE LODOS ACTIVADOS 47
5.1.1. Tiempo de aireación 47
5.1.2. Relación F/M 47
5.1.3. Edad del lodo 48
5.1.4. Sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado (SSVLM) 48
5.1.5. Índice volumétrico de lodos 48
5.1.6. Carga volumétrica 48
5.2. FACTORES AMBIENTALES QUE AFECTAN EL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS 49
5.2.1. Oxígeno disuelto 49
5.2.2. pH 49 5.2.3. Temperatura 49
5.2.4. Necesidades de nutrientes 49
5.3. REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES 50
5.3.1. Etapas generales de un sistema SBR 51
5.3.1.1. Llenado 51
5.3.1.2. Aireación – reacción 52
5.3.1.3. Sedimentación 53
5.3.1.4. Extracción – decantación 54
5.3.1.5. Purga – reposo 55
5.3.2. Eliminación biológica de nitrógeno en el SBR 55
5.3.3. Eliminación biológica de fósforo en el SBR 56
6. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 59
6.1. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN 59
6.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE REACTOR PFSBR 60
6.3. IMPLEMENTACIÓN 60
6.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 61
7. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR 62
7.1. FASES DE OPERACIÓN 64
7.1.1. Aireación 64
7.1.2. Sedimentación 66
7.1.3. Decantación 66
7.2. CRITERIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA 67
7.3. DISEÑO GENERAL DE UNIDADES Y EQUIPOS 68
7.3.1. Diseño del reactor 69
7.3.2. Diseño de los equipos auxiliares 70
7.3.2.1 Tanque de alimentación 70
7.3.2.2 Sistema de aireación 70
7.3.2.3 Decantador 71
7.4. CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR 72
8. IMPLEMENTACIÓN 75
8.1. PRE – EXPERIMENTACIÓN 75
8.1.1. Preparación del agua residual sintética 75
8.1.2. Inoculación del reactor 77
8.1.3. Aclimatación y arranque 78
8.2. EXPERIMENTACIÓN 78
8.2.1. Estudio hidrodinámico 79
8.2.1.1. Ensayo con trazadores 79
8.2.1.2. Escenario 1 85
8.2.1.3. Escenario 2 91
8.2.1.4. Análisis global de resultados 97
8.2.2. Operación del reactor 99
8.2.2.1. Reactor biológico de cargas secuenciales (SBR) 99
8.2.2.2. Reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón (PFSBR) 99
8.2.3. Pruebas experimentales con el INIRIDA DEEP FLOW® 100
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS 104
9.1. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS 104
9.1.1. Condiciones ambientales 104
9.1.2. Parámetros de control 111
9.1.3. Correlación de resultados 116
9.2. EFICIENCIA EN REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA 119
9.2.1. DBO 119
9.2.2. DQO 121
9.2.3. SST 124
10. ESTUDIO DE LA VIABILIDAD TÉCNICO Y ECONÓMICA DE IMPLEMENTAR EL PFSBR A ESCALA REAL 126
10.1 DISEÑO DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE FLUJO A PISTON A ESCALA REAL 126 10.2 COMPARACIÓN ECONÓMICA DEL FPSBR CON RESPECTO A UN SISTEMA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS 128 10.2.1 Costos de inversión del sistema FPSBR frente al sistema
convencional de lodos activados 128 10.2.2. Comparación de los costos de operación y mantenimiento del FPSBR con respecto a un sistema convencional de lodos activados 129 10.3. ANÁLISIS BENEFICIO/COSTO DEL FPSBR CON RESPECTO A UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS 131 CONCLUSIONES 136
BIBLIOGRAFÍA 143
ANEXOS 146
LISTA DE GRÁFICAS Pág.
GRÁFICA 1. APLICACIÓN DE TRAZADORES A UN REACTOR 37 GRÁFICA 2. CURVAS TÍPICAS DE CONCENTRACIÓN DE TRAZADOR
EN EL EFLUENTE DE REACTORES 38 GRÁFICA 3. DIAGRAMA GENERAL DE UN PROCESO DE LODOS
ACTIVADOS 44 GRAFICA 4. ETAPAS GENERALES DE UN SBR CONVENCIONAL 50 GRAFICA 5. FASE DE LLENADO 51 GRÁFICA 6. FASE AIREACIÓN - REACCIÓN 52 GRÁFICA 7. FASE DE SEDIMENTACIÓN 52 GRÁFICA 8. FASE DE EXTRACCIÓN - DECANTACIÓN 53 GRÁFICA 9. PROCESO DE NITRIFICACIÓN/DESNITRIFICACIÓN 55 GRÁFICA 10. MECANISMO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO 57 GRÁFICA 11. PERFIL DE CONCENTRACIONES DE DBO Y P EN LA
ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FOSFORO 57 GRÁFICA 12. ESQUEMA GENERAL DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO 58 GRÁFICA 13. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA PFSBR 61 GRÁFICA 14. ESQUEMA GENERAL DE LA PLANTA PILOTO PFSBR 62 GRÁFICA 15. CICLO DE OPERACIÓN NORMAL DE UN PFSBR 64 GRÁFICA 16. SOPORTES Y ESTRUCTURA DEL PFSBR 72 GRÁFICA 17. VISTAS LATERALES Y DE PLANTA DEL PFSBR 73 GRAFICA 18. COMPONENTES PRINCIPALES DEL AGUA RESIDUAL
SINTÉTICA 76
GRÁFICA 19. CARACTERÍSTICAS PRELIMINARES DE LAS PRUEBAS HIDRODINÁMICAS 82
GRÁFICA 20. CONSOLIDADO DE LAS PRUEBAS DE VARIACIÓN DE LA
CONCENTRACIÓN DEL TRAZADOR- ESCENARIO 1 84 GRÁFICA 21. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE WOLF Y RESNICK 85 GRÁFICA 22. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE LA CURVA DE TENDENCIA
PARA EL ESCENARIO 1 86 GRAFICA 23. ÍNDICE DE MORRÍLL DEL ESCENARIO 1 88 GRÁFICA 24. ENSAYO CON TRAZADORES CURVA DE VARIACIÓN DE LA
CONCENTRACIÓN DEL TRAZADOR- ESCENARIO 2 90 GRÁFICA 25. APLICACIÓN DEL MÉTODO WOLF Y RESNICK 91 GRÁFICA 26. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE LA CURVA DE TENDENCIA
PARA EL ESCENARIO 2 92 GRAFICA 27. ÍNDICE DE MORRÍLL 94 GRÁFICA 28. CONFIGURACIÓN DEL PFSBR PARA EL ARRANQUE DEL
SISTEMA 98 GRAFICA 29. COMPORTAMIENTO DEL TRAZADOR A LO LARGO DEL
PROCESO DE MEDICIÓN 100 GRAFICA 30. COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA 103 GRAFICA 31. COMPORTAMIENTO DEL PH 105 GRÁFICA 32. COMPORTAMIENTO DE OXIGENO DISUELTO 106 GRÁFICA 33. COMPORTAMIENTO DE SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES 107 GRAFICA 34. COMPORTAMIENTO DE LA CONDUCTIVIDAD 108 GRAFICA 35. COMPORTAMIENTO DEL NITRÓGENO Y FOSFORO 109 GRAFICA 36. COMPORTAMIENTO DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS
VOLÁTILES DE LICOR MEZCLADO 110
GRAFICA 37. COMPORTAMIENTO DE LA RELACIÓN F/M 112 GRÁFICA 38. COMPORTAMIENTO DEL ÍNDICE VOLUMÉTRICO DE
LODOS (IVL) 113 GRAFICA 39. COMPORTAMIENTO DE LA CARGA VOLUMÉTRICA 115 GRÁFICA 40. CORRELACIÓN DE F/M VS REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA
116 GRÁFICA 41. CORRELACIÓN DE IVL VS REMOCIÓN DE MATERIA
ORGÁNICA 116 GRÁFICA 42. CORRELACIÓN DE LA F/M VS IVL 117 GRÁFICA 43. CORRELACIÓN DE SSLM Y SÓLIDOS SEDIMENTABLES 117 GRÁFICA 44. MÉTODO VELP UTILIZADO PARA LA MEDICIÓN
DE LA DBO 118 GRÁFICA 45. COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE
OXÍGENO 119 GRÁFICA 46. EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA DBO 120 GRAFICA 47. COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA QUÍMICA
DE OXIGENO 122 GRÁFICA 48. EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA DQO 122 GRAFICA 49. COMPORTAMIENTO DE LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS
TOTALES 124 GRAFICA 50. EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS
TOTALES 124
LISTA DE TABLAS
Pág.
TABLA 1. VALORES TÍPICOS DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA EN COLOMBIA 33
TABLA 2. PARÁMETROS DE MEDICIÓN DEL IDF 43 TABLA 3. PARÁMETROS DE DISEÑO Y CONTROL DE PROCESOS DE LODOS
ACTIVADOS. 45 TABLA 4. CONCENTRACIÓN MÁXIMA DE SUSTANCIAS INHIBIDORAS DE
CRECIMIENTO BIOLÓGICO 49 TABLA 5. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA FASE DE LLENADO
ESTÁTICO 51 TABLA 6 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA FASE AIREACIÓN -
REACCIÓN 52 TABLA 7. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA FASE DE
SEDIMENTACIÓN 53 TABLA 8. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA FASE DE EXTRACCIÓN-
DECANTACIÓN 53 TABLA 9. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA FASE DE PURGA Y
REPOSO 54 TABLA 10. FASES DE OPERACIÓN DEL PFSBR 63 TABLA 11. PARÁMETROS DE DISEÑO DE UN SISTEMA PFSBR 67 TABLA 12. PARÁMETROS DE DISEÑO ASUMIDOS PARA EL PFSBR 67 TABLA 13. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA PFSBR 68 TABLA 14. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL TANQUE DE ALIMENTACIÓN 69 TABLA 15. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE AIREACIÓN 70 TABLA 16. PARÁMETROS DE DISEÑO SISTEMA DE DECANTACIÓN 70
TABLA 17. LISTA DE MATERIALES UTILIZADOS EN LA
CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR 71 TABLA 18. CARACTERIZACIÓN AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA CAJA DE
INSPECCIÓN 74 TABLA 19. COMPONENTES GENERALES DEL AGUA RESIDUAL
SINTÉTICA 75 TABLA 20. RESULTADOS CARACTERIZACIÓN AGUA RESIDUAL SINTÉTICA 76 TABLA 21. CONDICIONES PRELIMINARES DE LA PRUEBA CON
TRAZADORES 79 TABLA 22. CÁLCULOS PARA LA COMPLEMENTACIÓN DE LA TABLA 2
DEL ANEXO E 83 TABLA 23. PARÁMETROS PRINCIPALES PARA EL ANÁLISIS DE LA CURVA
DE LA VARIACIÓN DEL TRAZADOR ESCENARIO 1 87 TABLA 24. CÁLCULO DEL TIEMPO MEDIO (TM) 87 TABLA 25. CRITERIOS DE EVALUACIÓN A PARTIR DEL ANÁLISIS DE LA
CURVA DE VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN 89 TABLA 26. PARÁMETROS PRINCIPALES PARA EL ANÁLISIS DE LA CURVA
DE LA VARIACIÓN DEL TRAZADOR ESCENARIO 93 TABLA 27. CÁLCULO DE TM (TIEMPO MEDIANO) 93 TABLA 28. CRITERIOS DE EVALUACIÓN A PARTIR DEL ANÁLISIS DE LA
CURVA DE VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN 95 TABLA 29. TABLA DE RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DEL
COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO PARA EL PFSBR 97 TABLA 30. ETAPAS DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL RECTOR SBR
CONVENCIONAL 98 TABLA 31. ETAPAS DEL CICLO DEL REACTOR PFSBR 98 TABLA 32. PRUEBAS PRELIMINARES DE MEDICIÓN 99
TABLA 33. DATOS BÁSICOS Y OPERATIVOS DEL IDF 100 TABLA 34. ANÁLISIS DE LA TEMPERATURA EN EL PFSBR 104 TABLA 35. ANÁLISIS DEL PH EN EL PFSBR 105 TABLA 36. ANÁLISIS DEL OXÍGENO DISUELTO EN EL PFSBR 106 TABLA 37. ANÁLISIS DE SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES EN EL PFSBR 107 TABLA 38. ANÁLISIS DE LA CONDUCTIVIDAD EN EL REACTOR 108 TABLA 39. ANÁLISIS DE LOS NUTRIENTES EN EL PFSBR 109 TABLA 40. ANÁLISIS DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS VOLÁTILES DE LICOR
MEZCLADO EN EL PFSBR 111 TABLA 41. ANÁLISIS DE F/M EN EL PFSBR 112 TABLA 42. ANÁLISIS DE IVL EN EL PFSBR 114 TABLA 43. ANÁLISIS DE CARGA VOLUMÉTRICA PFSBR 115 TABLA 44. ANÁLISIS DE LA DBO EN EL INTERIOR DEL REACTOR. 118 TABLA 45. ANÁLISIS DE LA DQO EN EL PFSBR 121 TABLA 46. ANÁLISIS DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES EN EL PFSBR 123 TABLA 47. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL PFSBR A ESCALA REAL 126 TABLA 48. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PFSBR A ESCALA REAL 126 TABLA 49. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA UNIDAD CONVENCIONAL
DE LODOS ACTIVADOS 127 TABLA 50. COMPARACIÓN DE COSTOS TOTALES DE INVERSIÓN 128 TABLA 51. COMPARACIÓN DE COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
DEL PFSBR CON RESPECTO A UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS 130
TABLA 52. COMPARACIÓN DE RELACIÓN COSTO/BENEFICIO DE LOS DOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 131
TABLA 53 CRITERIO DE CALIFICACIÓN PARA LA MATRIZ
COSTO/BENEFICIO 131 TABLA 54. MATRIZ DE COMPARACIÓN SISTEMA PFSBR VS SISTEMA
CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS 132 TABLA 55. COMPARACIÓN DE COSTOS TOTALES DE INVERSIÓN 133 TABLA 56. ANÁLISIS DE LA MATRIZ FODA DEL SISTEMA PFSBR 134
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Pág.
FOTOGRAFÍA 1. COMPONENTES DEL INÍRIDA DEEP FLOW (IDF)® 42 FOTOGRAFÍA 2. SISTEMA DE AIREACIÓN DE IZQUIERDA A DERECHA
BURBUJEO, DIFUSORES DE BURBUJA FINA Y SOPLADOR ELÉCTRICO 64
FOTOGRAFÍA 3. FASE DE SEDIMENTACIÓN 65 FOTOGRAFÍA 4. DIFERENTES VISTAS DEL SISTEMA DE DECANTACIÓN
HIDRÁULICO 66 FOTOGRAFÍA 5. CAPTURA DEL LODO PTAR LA CALERA 77 FOTOGRAFÍA 6. INOCULACIÓN DEL LODO BIOLÓGICO 77 FOTOGRAFÍA 7. A LA IZQUIERDA EL ESCENARIO 1 Y A LA DERECHA
ESCENARIO 2 PROPUESTO PARA EL ESTUDIO HIDRODINÁMICO 79
FOTOGRAFÍA 8. MEZCLA DE SUSTANCIAS TRAZADORAS
(FLUORESCEÍNA Y NACL) 82 FOTOGRAFÍA 9. ESCENARIO 1 EN LA PRUEBA HIDRODINÁMICA 83 FOTOGRAFÍA 10.ESCENARIO 2 EN LA PRUEBA HIDRODINÁMICA 89 FOTOGRAFÍA 11.MEDICIONES DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES 113 FOTOGRAFÍA 12.DE IZQUIERDA A DERECHA: CELDA DQO, EQUIPO DE
MEDICIÓN DE DQO, NANOCOLOR PRIMER PLANO 121
LISTA DE ANEXOS
Pág. ANEXO A. MEMÓRIAS DE CÁLCULO DEL PFSBR 143 ANEXO B. FUNDAMENTOS MATEMÁTICOS DEL MODELO
SIMPLIFICADO DE LA TEORÍA DE WOLF Y RESNICK 150 ANEXO C. CRITERIOS DE EVALUACIÓN A PARTIR DEL ANÁLISIS DE LA
CURVA DE TENDENCIA DEL TRAZADOR 157 ANEXO D. PROTOCOLO DE APLICACIÓN DE TRAZADORES 158 ANEXO E. DATOS DE LA EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO
HIDRODINÁMICO 162 ANEXO F. MEDICIONES DE LOS PARÁMETROS DE CONTROL
DEL PFSBR 170 ANEXO G. PROYECCIONES DEL SALARIO MINIMO LEGAL VIGENTE
(MMLV) EN COLOMBIA 176 ANEXO H. PROYECCIONES DEL VALOR DE LA TARIFA DE CONSUMO
DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA 177 ANEXO I. CÁLCULO DE LAS TASAS RETRIBUTIVAS 178 ANEXO J. DISEÑO DEL PFSBR A ESCALA REAL. 180
ANEXO K. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEL PFSBR 187
GLOSARIO
Aerobio: Proceso por el cual un compuesto se oxida, utilizando oxígeno molecular como aceptor final de electrones. Aireación: Proceso por el cual se provee al sistema el oxígeno necesario, para que los microorganismos oxiden la materia orgánica, se mantengan los niveles operativos de oxígeno disuelto y se proporcione la mezcla apropiada. Anaerobio: Proceso biológico que se desarrolla en ausencia de oxígeno molecular en el cual proliferan microorganismos que obtienen la energía no de la combustión de sustancias con oxígeno, sino con aceptores de electrones, como lo son el nitrato (NO3
-), sulfato (SO42-), carbonato (CO3
2-), entre otros componentes orgánicos. Anóxico: Proceso anaerobio por medio del cual las bacterias desnitrificantes obtienen energía para su crecimiento a través de la conversión del nitrógeno de los nitratos en nitrógeno gaseoso. Bacterias: Microorganismos unicelulares y microscópicos, que se reproducen por la fisión de esporas, carecen de núcleo diferenciado y se reproducen por división celular. Caudal: Cantidad de líquido que fluye por un área en un determinado tiempo, se caracteriza por ser un flujo de agua superficial a través de un reactor. Ciclo: Periodo de tiempo en el cual un reactor desarrolla la totalidad de sus etapas de tratamiento o depuración. Cochada: Tipo de alimentación intermitente en un reactor, donde no existe flujo de entrada o salida, hasta que no se trate un determinado volumen de agua residual. Conductividad: Es la medida de la capacidad de una solución para conducir la corriente eléctrica, es una variable de calidad del agua expresada en (µs/cm). Cono Imhoff: Recipiente en forma cónica usado para medir el volumen de sólidos sedimentados a lo largo de 30 minutos en un 1 litro de agua, por lo general se expresa en unidades de ml/l. Corto circuito hidráulico: Fenómeno hidráulico que se presenta al interior del reactor, donde el flujo de agua recorta los tiempos de retención hidráulica al
interior del sistema alterando la velocidad del afluente e impidiendo el desarrollo ideal del proceso de depuración. DBO: Cantidad de oxígeno (medido en mg/l) requerido para la descomposición de la materia orgánica biodegradable presente en la muestra de agua. Se utiliza para medir la cantidad de contaminación orgánica en aguas residuales. DQO: Cantidad de oxígeno (medido en mg/l) requerido para oxidar la fracción orgánica de una muestra susceptible de oxidación al dicromato o permanganato, en medio ácido. F/M: Es la relación de alimento con respecto a los microorganismos, se define como la cantidad de alimento disponible para su consumo. Flujo a pistón: Ocurre debido a que las partículas de fluido atraviesan el reactor sin mezclarse y salen en la misma secuencia que entran al reactor, las partículas permanecen un tiempo igual al tiempo de retención teórico. Lodos: Residuo semisólido, que contiene microorganismos y sus productos, de cualquier sistema de tratamiento de aguas. Mezcla completa: Ocurre cuando las partículas del fluido que entran al reactor se dispersan inmediatamente por todo el volumen del mismo. Oxígeno disuelto: La cantidad de oxígeno presente en un cuerpo de agua listo para ser consumido por los microorganismos de un sistema, expresado en ppm o mg/l. pH: Índice que expresa el grado de acidez o basicidad de una sustancia, calculado por el número de iones de hidrógenos presentes. Es medido a través de una escala de 0 a 14, en la cual 7 significa que la sustancia es neutra. Valores por debajo de 7 indica que la sustancia es ácida y valores por encima de 7 indican que la sustancia es básica. Planta de tratamiento: Unidad compuesta por diferentes estructuras cuya función es depurar contaminantes susceptibles de causar un impacto grave al recurso agua. Pruebas piloto: Pruebas preliminares bajo condiciones especificas de laboratorio en orden de identificar problemas potenciales antes de su implantación. Sedimentación: Proceso de separación por acción de la gravedad, de las partículas sólidas suspendidas cuyo peso especifico es mayor que el del agua.
Sólidos disueltos totales: Sólidos que pasan a través de un filtro y luego son evaporados y secados a una temperatura especifica, los coloides son de un tamaño promedio de 0,001-1μm. Sólidos sedimentables: Se aplica a los sólidos en suspendidos que se sedimentan, por acción de gravedad, dentro de un periodo de tiempo específico. Sólidos suspendidos totales: Fracción de los sólidos totales retenido sobre un filtro con un tamaño de poro específico, comúnmente de 1,58 µm, que se mide después de secarse a una temperatura específica. Sólidos suspendidos volátiles: Sólidos que pueden ser volatilizados o incinerados cuando, los sólidos suspendidos totales son calcinados a una temperatura de 550ºC. SSVLM: Los sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado corresponden a los lodos biológicos, constituidos por una población heterogénea de microorganismos. Sólidos totales: Es la materia que permanece como residuo después de evaporación y secado a 103°C. Sustrato: Término utilizado para indicar que la materia orgánica o los nutrientes que se transforman durante los tratamientos biológicos, o aquella que puede ser limitante en dichos tratamientos, por ejemplo la materia orgánica de las aguas residuales se considera como el sustrato que se transforma durante el tratamiento biológico. Trazador: Sustancia que se introducen en un sistema con el fin de estudiar la evolución temporal y/o espacial de determinado proceso químico, físico, biológico o industrial, a través de su detección o medición que brinda información del sistema a un observador externo. Zona muerta: Espacio inutilizado de un reactor en el cual las partículas se acentúan, aumentando el tiempo de retención hidráulico y disminuyendo la eficiencia de remoción de contaminantes.
RESUMEN
Hoy en día la evolución en el diseño de reactores, está relacionada con las reacciones físicas, químicas y/o biológicas que en ellas ocurren. Estas reacciones pueden ser cinéticas de transporte, tal como se presenta en sedimentadores y filtros biológicos o cinéticas de reacción como ocurre en reactores químicos y reactores secuenciales biológicos. Generalmente el éxito de una planta de tratamiento de aguas residuales depende no solamente de las reacciones físico químicas que ocurren en su interior, sino en gran parte a su comportamiento hidrodinámico, es por eso que en esta investigación el conocimiento de la hidrodinámica y la cinética son preponderantes, ya que a través de ellos se puede lograr un incremento en la eficiencia de los procesos, ya sean químicos o biológicos.
Durante los últimos 30 años, con la evolución de nuevas tecnologías, el uso de los reactores de carga secuencial (SBR) se ha masificado a nivel mundial debido a su alta eficiencia y ventajas operativas. Desde entonces se han hecho esfuerzos para mejorar la eficiencia del sistema, así como la reducción de áreas y volúmenes requeridos. Recientemente se han desarrollado empíricamente modificaciones estructurales del sistema SBR, sin embargo aún se desconocen en Latinoamérica estudios científicos a escala laboratorio de este tipo, que evalúen y respalden su desempeño.
El presente proyecto, consistió en el diseño e implementación de un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón (PFSBR) a escala de laboratorio con el fin de evaluar el comportamiento hidrodinámico y comparar la eficiencia de remoción de materia orgánica en un sistema SBR convencional.
El proyecto se desarrolló en dos etapas, en primera medida se evaluó, previo a su arranque, el comportamiento hidrodinámico del PFSBR aplicando dos metodologías de medición; el modelo simplificado de la teoría Wolf-Resnick y el análisis de la curva de tendencia de concentración del trazador (curva de Gauss), donde se utilizó una sustancia trazadora (fluoresceína y cloruro de Sodio) dosificada instantáneamente para evaluar la conductividad realizando mediciones puntuales de concentración en intervalos de 10 minutos en el efluente del sistema durante un TRH teórico de 10 horas. En total Se realizaron 6 pruebas para los dos escenarios propuestos, identificando la unidad más eficiente hidráulicamente.
En la segunda etapa se utilizó el escenario que mejor resultado hidrodinámico mostró y a continuación se inoculó el reactor con lodos provenientes de la PTAR del municipio La Calera (Cundinamarca), donde se evaluaron diferentes
condiciones fisicoquímicas al interior del reactor; una vez estabilizado el sistema, se determinó la eficiencia de remoción de materia orgánica, comparando los valores de la concentración de entrada y salida de los parámetros DBO, DQO y SST. Por último se realizó un estudio de viabilidad técnico-económica para evaluar una posible implementación a escala real.
Vale la pena resaltar que una vez concluido el estudio hidrodinámico se realizaron una serie de pruebas experimentales con el fin analizar la posibilidad de utilizar el Inirida Deep Flow® como una nueva alternativa de medición de caudales en reactores de aguas residuales.
ABSTRACT At these days, the reactors design evolution is related with the physical, chemical and/or biological reactions that occur inside them. These reactions could be kinetics of transport, as is shown in the settlers and biological filters or kinetics of reaction, as happen at chemical and sequence biological reactors. Generally, the waste water treatment plant success do not depend only on the physic-chemical reactions that take place in there, but a very important part on the hydrodynamic behavior, that is why for this investigation the hydrodynamic and the kinetics are preponderant, because thanks to them a process efficiency increase can be achieved, at chemical or biological terms. During the last 30 years, with the new technology evolution, the sequence batch reactors (SBR) use has been magnified at world-wide level as the high efficiency and operative advantages obtained. Since then, many efforts have been made to improve the system efficiency, as like area and volume requirements reduction. Recently, the SBR system has been empirically modified on the structure, nevertheless Latin-American scientific studies are unknown at laboratory scale on this type that evaluate and support their performance. The present project, consisted on the biological plug flow sequence batch reactor (PFSBR) design and implementation at laboratory scale with the aim of evaluate the hydrodynamic behavior and compare the organic matter remotion efficiency with the conventional SBR system. The project has been developed on two stages, the first measure was to evaluate, previous to the start up, the PFSBR hydrodynamic behavior applying 2 measurement methodologies; the Wolf-Resnick theory at a simplified model and the tracer concentration tendency curve analysis (Gauss curve), where it has been used a tracer substance (fluorescein and sodium chloride) instantly dosed to evaluate the conductivity, realizing concentration pointy measurements with space of 10 minutes at the system effluent during a theoretician hydraulic retention time of 10 hours. The total number tests were 6 for both of the proposed sceneries, identifying the hydraulic most efficient unit. At the second stage, the best hydrodynamic result-scenery was used to inoculate sludge from the “La Calera, Cundinamarca” WWTP into the reactor, where the physic-chemical conditions were evaluated, once the system got stable, the organic matter remotion efficiency was determinated, comparing the affluent and effluent BOD, COD, and TSS values. Finally it was made the technique-economic viability studies, to evaluate the possible real scale implementation of the system. To consider, once the hydrodynamic studies were concluded, were made a series of experimental tests with the objective of analyze the possibility of use the Inírida Deep Flow® as a flow measure alternative in waste water reactors.
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1. ANTECEDENTES Los procesos de llenado y descarga por cochadas, similares a los de los reactores biológicos secuenciales (SBR) no son un desarrollo reciente como se cree comúnmente. Entre 1914 y 1920 varios sistemas de llenado y descarga se encontraban en operación. El interés en los SBR revivió en inicios de la década del 60 con el desarrollo de nuevos equipos y tecnología. Las mejoras de los sistemas de aireación y control, permitieron que los SBR compitieran con éxito con los sistemas convencionales de lodos activados. (EPA, 1999) En la década de los 60 se desarrolló a plenitud el reactor biológico de cargas secuenciales (SBR) y se intensificó la búsqueda de mejoras de los dispositivos de aireación y control, a fin de permitir el desarrollo de sistemas altamente eficientes. (Tchobanoglous, 1998). Al- Rekavi et al., (2007) en uno de sus documentos científicos resalta que los precursores de la tecnología SBR son Irvine and Davis (1971) ellos han descrito a detalle su operación. Además explica que el sistema SBR es una versión moderna de llenado y vaciado, que en su forma básica opera como un sistema de lodos activados convencional; solo que en intervalos de tiempo, más no en intervalos de espacio. Los primeros estudios a escala de laboratorio del proceso SBR se originaron en la Universidad de Notre Dame, Indiana (Irvine y Busch, 1979). Donde se analizó el tratamiento biológico de aguas residuales, otorgando a cada uno de los tanques varios períodos de funcionamiento. Los períodos fueron llenado, reacción, sedimentación, decantación y periodo muerto, ocurriendo uno tras otro a través del tiempo, conformando un ciclo de tratamiento. Estos modos operacionales fueron modificados dependiendo de las estrategias deseadas. Keller et al., (1997) utilizó dos reactores SBR para investigar el proceso de pre tratamiento en mataderos y la capacidad de variar el proceso de BNR (Remoción de Nutriente Biológico). Los reactores se operaron a una temperatura de 20±2°C, el volumen máximo de operación de los reactores fue aproximadamente 5 litros. La investigación obtuvo buenos resultados de remoción representando avances importantes en el campo de la remoción de aguas residuales industriales. Janczukowicz et al., (2001) examinó las propiedades de un lodo activado en un reactor biológico de cargas secuenciales, las pruebas se desarrollaron en un reactor a escala piloto en la Universidad de Olsztyn. El estudio reveló buenas propiedades de sedimentación del lodo.
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Bretti (2002), desarrolló una completa descripción de un sistema SBR, donde define las principales características, ventajas y desventajas, parámetros de diseño, memorias de cálculo del diseño, resultados del comportamiento, y eficiencias de remoción para el tratamiento de afluentes de un laboratorio medicinal. Steinmetz et., al (2002) recientemente usaron sistemas SBR a escala de laboratorio para desarrollar una investigación en el campo de la remoción de carbono y nutrientes en aguas residuales domésticas e industriales mediante ensayos de biodegradabilidad, simulando condiciones reales en una planta de tratamiento de aguas residuales. Yang et al., (2003). Desarrolló un modelo que describe el crecimiento del lodo en fase aerobia bajo diferentes cargas hidráulicas e hidrodinámicas de operación de un reactor biológico de cargas secuenciales, el modelo arrojo un coeficiente de correlación mayor al 0.95% lo cual indica una predicción confiable. Stricker et al., (2006), realizó una comparación de las ventajas y desventajas de un sistema SBR versus un sistema convencional de flujo continuo (CFR) a escala piloto. Corominas (2006) de la Universidad de Girona diseñó un sistema de control y optimización de la tecnología SBR para asegurar la eliminación de la materia orgánica y nitrógeno utilizando modelos calibrados como herramienta soporte. Zhou et al., (2006), diseñó un reactor biológico de cargas secuenciales (SBR) a escala piloto para tratar altos contenidos de nitrógeno amoniacal de residuos municipales. La investigación estableció que el sistema tiene una alta eficiencia de remoción a través de procesos de nitrificación y desnitrificación. Dague et al., (1997), realizó una modificación del sistema SBR convencional llamada reactor anaerobio biológico de cargas secuenciales anaerobios (ASBR) para el tratamiento de aguas residuales, el estudio demostró que el reactor tiene una buena retención de sólidos propiciando la eliminación de la sedimentación secundaria, alta eficiencia en el control operacional, simple funcionamiento y alta remoción de materia orgánica. Concluye que el sistema puede usarse para tratar algunas descargas intermitentes de agua residual. En Asia Shin et al., (1998). Diseñaron una modificación de un SBR convencional a escala piloto adaptando un sistema MF (microfiltración) operado para tratar y reusar aguas residuales, producidas por un edificio de oficinas. Al finalizar el proceso el efluente presentó condiciones favorables; 20 mg/l, 5 mg/l, y 0.5 mg/l de DQO, DBO, y amoníaco, respectivamente. El funcionamiento cíclico de operación
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del SBR modificado registró una mayor efectividad en el proceso de nitrificación y desnitrificación que un sistema SBR convencional. Además el sistema decantador funcionó perfectamente sin arrastre de sólidos. Aunque se presentaron problemas para mantener la concentración constante de sólidos suspendidos del proceso. Lo cual conllevó a incrementar el proceso de filtración final para lograr el reuso del efluente. Por otro lado el sistema de microfiltración logró remover los sólidos suspendidos remanentes y residuos patógenos del efluente, según demostró el seguimiento de los parámetros adecuados. Los sólidos suspendidos remanentes del proceso producidos fueron alrededor de 1 mg/l. Lin et al., (2001) investigaron el tratamiento del agua residual doméstica para un posible reuso agrícola. El método del tratamiento consistió en una coagulación química y un sistema SBR modificado. En la investigación se realizaron pruebas experimentales para evaluar el comportamiento y comparación con respecto a un sistema tradicional. El nivel de purificación obtenido con ambos sistemas SBR y coagulación química abrió un posible uso agrícola. En América latina se registran múltiples estudios acerca del sistema convencional de lodos activados a escala de laboratorio, pero no se registran antecedentes en estudios de investigación de reactores biológicos de cargas secuenciales de flujo continuo a escala de laboratorio para el tratamiento de aguas residuales sintéticas; pero Sousa et al., (1996) investigaron el tratamiento de aguas residuales domésticas en las regiones tropicales usando un sistema combinado, compuesto por un UASB seguido por dos reactores SBR. En este sistema, el reactor UASB removió el fragmento considerable de materia orgánica, mientras los SBR oxidaron la parte de la materia orgánica y el nitrógeno de amonio remanente. Para el desarrollo de esta investigación, se instaló un reactor alimentado por agua residual sintética que simuló las condiciones de un agua residual doméstica a flujo continuo, durante 38 semanas. Los resultados permiten confirmar que el sistema produce un alta eficiencia de remoción de DQO (95%), SST (96%) y TKN (85%). La investigación indica que al combinar los dos reactores anaerobio-aerobio el sistema compite favorablemente con sistemas aerobios convencionales en tres aspectos: consumo de energía, producción de lodo en exceso y remoción de nutrientes. En Colombia el estudio de sistemas SBR a escala de laboratorio es casi nulo, hasta el momento solo se han realizado estudios en sistemas convencionales de lodos activados, uno de ellos es el de Manga (2003) que realizó una simulación de un sistema de lodos activados en discontinuo para la eliminación de materia orgánica y nutriente. El simulador incluye un modelo N°2d de lodos activados (ASM2d) propuesto por la INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION (IWA). La herramienta informática fue utilizada para describir el comportamiento de dos sistemas en discontinuo (anaerobio/aerobio y aerobio/anóxico) bajo diferentes
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condiciones de operación: tiempo de retención celular y tiempo de retención hidráulico. Por otro lado a escala real Raigoza (2007), de la Universidad de la Salle realizó el diagnóstico y optimización del sistema operativo del reactor biológico de cargas secuenciales (SBR) de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de la Calera, donde determinó el nivel técnico y operativo de un sistema convencional SBR, además confrontó parámetros de diseño frente a condiciones reales de operación. En el campo hidrodinámico debemos destacar que si bien muchos fenómenos de transferencia de materia que se presentan en el tratamiento de aguas, fueron desarrollados en forma empírica, en la actualidad están siendo estudiados con bases teóricas más fundamentadas (Giácoman, 1998), no obstante existe aún, varios déficit de información y conocimiento, ya que las bases teóricas en las que se fundamentan los fenómenos también están limitadas por la falta de mejores técnicas de medición y manejo de datos.
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2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Implementar un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón a escala de laboratorio que trate agua residual sintética.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar y construir un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón a escala de laboratorio que trate agua residual sintética.
Evaluar el comportamiento hidrodinámico del reactor biológico de cargas secuenciales mediante la aplicación de trazadores.
Comparar la eficiencia de remoción de materia orgánica del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón, a escala de laboratorio con respecto a un reactor biológico de cargas secuenciales convencional.
Realizar el manual de operación y mantenimiento del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón.
Verificar las condiciones óptimas de operación del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón, a fin de aumentar la eficiencia de remoción de materia orgánica.
Determinar la viabilidad técnico-económica de la implementación del reactor a escala real.
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3. REACTORES PARA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS
Hoy en día como producto de las actividades normales de las grandes urbes, se genera una gran cantidad de residuos que deterioran la salud humana, una fracción líquida de dichas actividades son las aguas residuales domésticas, generadas por actividades residenciales, domésticas, industriales y comerciales que eventualmente contienen aguas superficiales y pluviales en sistemas de alcantarillados combinados. Según el plan decenal de aguas residuales, el país cuenta con sistemas de depuración para tratar hasta el 20% de las aguas residuales urbanas; sin embargo, su utilización efectiva es solo del 10%, ya sea por su deficiente operación o por el rezago de coberturas en el alcantarillado. Los vertimientos de aguas residuales de los grandes centros urbanos se estiman en 67 m3/s
donde
Bogotá representa el 15%, Antioquia 13%, Valle del Cauca 10% y los demás departamentos están por debajo del 5%. En el año 1999, la materia orgánica generada por actividades domésticas medida como DBO5
fue 1.321 Ton/día, y para el sector industrial 444 Ton/día (UNIANDES, 2002) En general las aguas residuales domésticas son generadas por actividades que incluyen la preparación de alimentos, lavado de ropa, utensilios, pisos y el uso de baños, etc. En cuanto a la composición de las aguas residuales domésticas se refiere a las cantidades de constituyentes físicos, químicos y biológicos presentes en ellas. A continuación se presenta en la siguiente tabla los datos típicos de la composición encontrada en un agua residual doméstica para Colombia.
Tabla 1. Valores típicos del agua residual doméstica en Colombia
Fuente: Modificado de Romero, 1998
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El tratamiento de purificación de las aguas residuales domésticas se puede realizar en tanques de diferentes tipos y formas, en condiciones de control diversas, donde se dan transformaciones biológicas y químicas que se concretan con la formación de un floc biológico o químico que es separado posteriormente mediante sedimentación. El éxito del sistema de tratamiento de purificación depende de la capacidad del floc para entrapar y reducir los sólidos del agua, así como de la eficiencia de la unidad para su remoción.
Los procesos de tratamiento de aguas operan, generalmente, con flujo continuo, con un afluente y efluente definido durante un periodo de tiempo establecido para su tratamiento. En ocasiones el proceso puede ser por cochadas, con una carga instantánea del reactor y descarga posterior, esta reacción esta determinada por las características de dispersión del reactor (Romero, 1998).
Las características de dispersión del reactor y la cinética de las reacciones que ocurren dentro de él, están determinadas por la interacción que ocurre entre el efluente y el afluente. Es importante resaltar que existen diferentes tipos de reactores los cuales podrían catalogarse como ideales. En esto se tiene en cuenta la cinética o las velocidades de las reacciones de transformaciones dentro del proceso, el régimen hidráulico predominante, características geométricas, trayectoria del flujo a través del mismo, además, se fijan las condiciones de mezcla que contribuyen a diluir el afluente, transportar y redistribuir sus componentes.
3.1. REACTOR DE LECHO EMPACADO Es un reactor que: “Está constituido por un tanque lleno con algún medio de empaque como piedra, escoria, cerámica o plástico que opera en flujo continuo o intermitente, puede ser anaerobio, aerobio o facultativo”. (Romero, 1998) 3.2. REACTOR DE FLUJO A PISTÓN Es un reactor: “ En el cual las partículas de fluido viajan a lo largo del reactor sin mezclarse y, por tanto, se descargan en la misma secuencia u orden en que entran al reactor. No existe difusión longitudinal ni mezcla, la dispersión es nula, todos los elementos del sistema viajan a la misma velocidad, las partículas retienen su identidad y permanecen en el tanque durante un tiempo igual al tiempo teórico de retención. En la práctica, este tipo de reactor debe mantener la dispersión longitudinal en un valor mínimo”. (Romero, 1998) Para comprender el principio de funcionamiento del reactor se visualiza el concepto de flujo en pistón como un flujo en el cual el fluido, al llegar al reactor, es
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encerrado en paquetes herméticos que luego viajan a lo largo del tanque, sin transferir ninguna sustancia de un paquete a otro, aunque exista mezcla completa dentro de cada paquete, se puede considerar que cada paquete es un mini reactor de cochada en mezcla completa. (Romero, 1998) 3.3. REACTOR DE MEZCLA COMPLETA Un reactor mezclado es aquel en el que todo elemento que ingresa al reactor se dispersa inmediatamente dentro de él. En la práctica es muy difícil lograr un flujo con estas características; solo se presentará bajo condiciones ideales. 3.4. REACTOR POR COCHADA DE MEZCLA COMPLETA Es un reactor: “Caracterizado por la inexistencia de afluente y efluente con existencia de mezcla completa del contenido del tanque, es un reactor con dispersión infinita. Constituye un sistema cerrado usado en experimentos de laboratorio a media que una reacción procede en dicho reactor, la composición y distribución relativa de los reactantes y productos cambia con el tiempo, una de sus principales características es su concentración; permanece uniforme en todo el reactor”. (Romero, 1998). 3.5. REACTOR DE FLUJO CONTINUO Y MEZCLA COMPLETA Este es un reactor: “En el cual el afluente es mezclado instantánea y completamente con el contenido del reactor. En otras palabras, las partículas del afluente se dispersan inmediatamente al entrar al reactor, o sea, la dispersión es infinita. El tanque tendrá un contenido homogéneo, una composición idéntica a la del licor mezclado del reactor”. (Romero, 1998). 3.6. REACTOR DE FLUJO CON DISPERSIÓN LONGITUDINAL En teoría existe el flujo a pistón, en la practica es imposible impedir la mezcla entre las partículas de fluido o paquetes de flujo y siempre hay alguna mezcla longitudinal. Bioxidación de materia orgánica, según una cinética de primer orden. (Romero, 1998). 3.7. REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO Según Romero (1998) el reactor de lecho fluidizado es: Se da el nombre de fluidización al proceso de contacto que ocurre entre un sólido y un fluido (gas o líquido) en el cual el lecho formado por partículas sólidas
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finamente divididas se levanta y se agita por medio de una corriente ascendente de fluido. Se habla de fluidización particulada cuando existe una expansión grande y uniforme del lecho a velocidades elevadas, la cual generalmente se manifiesta en sistemas líquido-sólido, para partículas muy finas y un rango limitado de velocidad. La fluidización agregativa es cuando los lechos de sólidos se encuentran fluidizados con gases, como el aire, donde la mayor parte del gas pasa a través del lecho en forma de burbujas o huecos que están casi exentos de sólidos, y solamente una pequeña fracción del gas fluye por los canales existentes entre las partículas, las cuales se mueven de forma errática. La principal desventaja de la fluidización gas-sólido consiste en el desigual contacto del gas y el sólido. Sin embargo, el flujo de fluidos a través de lechos de partículas sólidas (fluidización) es un proceso de uso amplio en operaciones industriales tales como: filtración, intercambio iónico, extracción de solventes, absorción y reactores catalíticos.
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4. DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE UN REACTOR
Según Pérez (1992): “Para visualizar el funcionamiento de una unidad desde el punto de vista hidrodinámico existen diferentes técnicas; muchas de ellas ofrecen soluciones ideales para la modelación del flujo pero su implementación suele ser compleja, a diferencia del uso de una sustancia trazadora (sal, colorantes, ácidos o una sustancia radiactiva) aplicada en la entrada de la unidad, que simultáneamente comienza a registrar la concentración del trazador a la salida de la unidad (ver gráfica 1)”.
Gráfica 1. Aplicación de trazadores a un reactor
Fuente: Pérez, 1992
En la práctica la aplicación de un trazador se realiza en forma continua o instantánea en un intervalo de tiempo determinado (Δto). Este último resulta ser el método más usado en evaluación de plantas de tratamiento. Para ello se hizo necesario analizar, en primer lugar, el caso de la inyección instantánea: Supondremos aquí que la concentración inicial (Co) del trazador permanece constante durante el tiempo de inyección (Δto). La representación de la variación de la concentración del trazador en función del tiempo en una unidad con predominio de flujo de pistón se representa en la figura a de la gráfica 2.
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Gráfica 2. Curvas típicas de concentración de trazador en el efluente de reactores
Fuente: Pérez, 1992
La figura b de la gráfica 2 representa la concentración del trazador en función del tiempo en una unidad con predominio de flujo mezclado. En una unidad bajo condiciones reales de funcionamiento (flujo no ideal; o sea con cierto grado de mezcla, cortocircuitos, zonas muertas, corrientes de inercia), al medir y graficar la concentración del trazador a la salida en función del tiempo, se obtiene una curva del tipo indicado en la figura c, curva de Gauss del gráfica 2. En el caso de la aplicación continua se debe aclarar que el tipo de curva que se obtiene es el indicado en los recuadros correspondientes de la figura 2 (Pérez, 1992). 4.1. MODELOS DE EVALUACIÓN HIDRODINÁMICA Según Giacoman (1998): “ La elección de un modelo es libre y está relacionada con el tipo de información a evaluar, por lo que la elección de dicho modelo puede ser regida de acuerdo al principio de las cajas negras, grises o blancas Esta clasificación está hecha con base en la incorporación en los modelos de variables fisicoquímicas producto del estado actual del conocimiento”.
Fig. a. Fig. b. Fig. c.
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4.1.1. Modelos de acuerdo al principio de las cajas negras. Los modelos según este principio son bastante sencillos y de fácil empleo para los usuarios como es el caso de muchas prácticas ingenieriles. El desarrollo de estos modelos y su balance se apoya en formas ideales de flujo. Este es el caso de los modelos de mezcla completa y flujo pistón. 4.1.2. Modelo del flujo de mezcla completa. Según Krizan (1988): “ Para el caso de un sistema de dos fases como el sistema Gas-Líquido se debe considerar en el balance de masa la presencia del gas en el volumen del sistema, es decir en el espacio del flujo”.
4.1.3. Modelo de flujo pistón. Según Krizan (1988): “ El modelo de este tipo de flujo se obtiene cuando el balance se hace para el caso de un perfil plano de velocidad con referencia al área transversal de flujo, representando así la forma de un embolo que se mueve en dirección axial. En este tipo de flujo sólo se tiene un movimiento convectivo”. 4.1.4. Modelo de celdas o cascada. Según Levenspiel (1984): “Este modelo es una combinación de N celdas o tanques agitados conectadas en serie, en la que en cada celda se tiene un flujo ideal de mezcla completa. Este modelo representa el comportamiento de mezcla del sistema y que para un número infinito de tanques agitados pequeños (con mezcla completa) describe o adquiere el comportamiento hidráulico de un flujo en pistón y para N igual a uno describe el comportamiento del flujo de mezcla completa”.
4.1.5. Modelo de flujo laminar unidimensional. Según Levenspiel (1984); Krizan (1988); Giácoman (1998): “Este modelo representa al movimiento laminar de flujo, en la cual se tiene un perfil parabólico de velocidad en la dirección axial del flujo”. 4.1.6. Modelo de Cholette y Cloutier. Según Giacoman (1998): “Este modelo también espacios muertos y cortos circuitos en base tanto a un balance tanto de volúmenes y caudales. Así el modelo considera que una parte del caudal cruza por el sistema tan rápidamente sin que se mezcle con el resto, que da la impresión, que una parte del volumen del reactor no está en contacto con el resto y que está parte del volumen constituye un corto circuito o vía rápida, donde el movimiento de los elementos del fluido es del tipo pistón. Además considera también que una parte del volumen de reactor es zona muerta y no participa como zona activa para el intercambio”.
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La función densidad para este tipo de modelo esta expresada por la siguiente ecuación:
(1)
Donde Va representa el volumen de la zona activa, Vɑ el caudal en la zona activa,
V el volumen total del sistema, Vo el caudal total de la fase continua que atraviesa el sistema, Vb la parte del caudal que pasa por la zona de corto circuito, Vb volumen de la zona muerta y la variable representada por la siguiente relación:
(2)
4.2. MODELO SIMPLIFICADO DE LA TEORÍA WOLF Y RESNICK
La metodología simplificada de Wolf-Resnick, es un modelo matemático que permite determinar los parámetros hidrodinámicos de un reactor, evaluando el cambio de concentración del trazador a través del tiempo. El método simplificado de David Wolf y William Resnick es un modelo de caja negra (entrada-salida) que en la práctica resulta una herramienta de gran utilidad que para determinar de manera objetiva y sencilla el porcentaje de espacios muertos (m), el porcentaje de flujo pistón (P), el porcentaje de flujo mezclado (M) y corto circuito que se presenta en la operación normal del reactor a partir de parámetros como ϴ y tanα. Para la aplicación del método, en general, se registran los datos de campo (concentración y tiempo) en una tabla general, a continuación se grafican los valores de la fracción remanente experimentales (1-f(t)), t/t0, en escala semilogaritmica en función de tiempo adimensional t/t0. y a partir de una gráfica se ajusta una línea para los valores de (1-f(t)) menores que uno (1) o a un valor próximo a uno (1), según la distribución de los puntos en papel semilogarítmico. A continuación se ajusta una línea tangente a la parte recta de la curva. La pendiente de esta línea es la tan α y su intersección con el valor de 1 en las ordenadas permite calcular el valor de ϴ. Posteriormente se obtienen las fracciones que caracterizan el flujo. En el anexo B se describe la metodología en detalle.
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Para el desarrollo de la metodología Giacoman (1998) tiene en cuenta un parámetro importante enunciado a continuación:
(3) Lo cual es cierto para un reactor de flujo a pistón y flujo completamente mezclado, el calculo del peso de la sustancia trazadora a detectar en el efluente para una concentración máxima C0 establecida, depende no solamente del volumen del reactor sino de sus características hidráulicas lo cual justamente se desea evaluar. Es por eso que para el cálculo adecuado del peso del trazador requiere un criterio y experiencia de los investigadores. El modelo de Wolf y Resnick esta descrito por la siguiente ecuación en función de la distribución:
(4)
Donde el parámetro:
(5) La ecuación 14 representa el desplazamiento de la curva o espectro del tiempo de residencia debido a los espacios muertos.
(6) En la ecuación 15 se representa la eficiencia de mezcla, en la práctica resulta una herramienta de gran utilidad ya que a través de ella, es posible determinar de manera objetiva y sencilla el porcentaje de espacios muertos en el sistema, flujo pistón y mezcla completa. 4.3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL INIRIDA DEEP FLOW Según Constain (2007): “El INIRIDA DEEP FLOW® (IDF) es un sistema que brinda información oportuna, detallada, precisa sobre parámetros físicos, hidráulicos, y de transporte, este sistema es la forma moderna de hacer estudios
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de trazadores, descubriendo las condiciones actuales del agua en un punto determinado. Consiste básicamente en el vertimiento súbito de una determinada masa de trazador que es mezclada en un tramo del cauce, para luego ser medida por un sensor apropiado”. Debido a estos atributos nace la idea de utilizar el IDF en un reactor PFSBR a escala de laboratorio, con el fin de evaluar la posibilidad de usar el equipo en plantas de tratamiento de aguas residuales, el sistema nunca ha sido utilizado para modelación de caudales en reactores de ningún tipo y es especialmente útil cuando se requiere caracterizar flujos muy lentos o de valores muy bajos del número de Reynolds, el sistema realiza modelamientos en los siguientes puntos:
Formas de curva Ubicación temporal de la curva (precisión de velocidad). Ubicación espacial de la curva (punto origen del vertimiento). Conservación de la masa del vertimiento.
El componente hardware del sistema IDF esta integrado por tres elementos; la PDA ZAURUS SL-5600 una novedosa PDA (portable device assitant) desarrollada por la compañía SHARP, que permite administrar información personal, establecer comunicación móvil, utilizar herramientas multimedia y por supuesto, ahora puede emplearse en trabajos de hidrometría gracias al sistema Inirida Deep Flow®, los otros dos componentes son la interfaz IMHE que sirve como convertidor de señales desde el sensor hasta la PDA y el sensor de conductividad o rodamina WT. (CONSTAIN, 2007)
Fotografía 1. Componentes del Inírida Deep Flow (IDF)®
Esta es una herramienta fundamental para el estudio y la investigación de los mecanismos de transporte en el agua, enlazándolos con los parámetros hidráulicos en una presentación única entre los programas ofrecidos actualmente en el mercado. Contiene múltiples funciones que permiten determinar valiosa información sobre el cauce. El equipo contiene una serie de rutinas que analizan
Fuente: Amazonas Technologies, 2007
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detalladamente la forma de las curvas y otras que eliminan interferencias, logrando una gran fidelidad de la representación. Las mediciones del IDF corresponden a los siguientes parámetros:
Tabla 2. Parámetros de medición del IDF FISICOS HIDRAULICOS DE TRASPORTE
• Conductividad • Temperatura
• Caudal. • Velocidad media de flujo. • Numero de manning. • Numero de Reynolds
• Coeficiente de dispersión longitudinal. • Coeficiente de difusión transversal. • Concentración del trazador. • Verificación de longitud de mezcla.
Fuente: Autores, 2008
El IDF se basa en el coeficiente de dispersión que es la velocidad con la cual se expande, o se dispersa el trazador cuando es vertido en un cauce, y esta dado en m/s. Esta velocidad se relaciona directamente con la velocidad de dispersión de un contaminante, y en muchos casos es la misma. (Amazonas Technologies, 2007) El sistema IDF utiliza una interfaz que transforma datos básicos de conductividad y temperatura en información de alto nivel, para generar esta información se realiza una inyección rápida de trazador “aguas arriba” del punto donde se ubica el sensor, el cual muestrea apropiadamente las señales unidimensionales de las curvas de trazador. El trazador utilizado fue cloruro de sodio.
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5 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS
Dentro de los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales domésticas se encuentran entre otros: los lodos activados, las lagunas aireadas y los filtros percoladores. De ellos, el tratamiento más utilizado es el de lodos activados, debido a su alta eficiencia depurativa, flexibilidad de operación a través de un control racional de la biomasa presente en el proceso, minimización de olores, facilidad para incorporar desnitrificación al proceso, su clarificación primaria y secundaria, los lodos generados son altamente mineralizados y es aplicable a un amplio rango de efluentes industriales. (Metcalf & Eddy, 1995) El diseño de una planta de lodos activados se basa en el consumo de materia orgánica biodegradable medida en parámetros de DBO y SST, formada fundamentalmente por compuestos carbonosos en disolución. Dicho consumo es el resultado del proceso de oxidación biológica que se lleva a cabo en el reactor. Por su parte, la DBO insoluble se separa principalmente por sedimentación en los clarificadores primario y secundario (Metcalf & Eddy, 1995). El proceso de lodos activados se desarrolla como una operación continúa mediante la recirculación de lodo biológico, formado por una población heterogénea de microorganismos. Los microorganismos presentes son bacterias unicelulares, hongos, algas, protozoos y rotíferos, siendo las más importantes las bacterias (Metcalf & Eddy,1995). En la gráfica 3 se muestra un diagrama del proceso convencional de lodos activados.
Gráfica 3. Diagrama general de un proceso de lodos activados
Fuente: Ramalho, 1993
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En el diagrama de la gráfica 3 las abreviaturas correspondes a: Índices: Subíndices: Q = Caudal F= Alimentación S = Concentración E= Efluente Xv= Concentración de sólidos suspendidos . volátiles.
W= Purga R= Recirculación
Xvn= Concentración de sólidos suspendidos . no volátiles.
A= Reactor aireado O= Alimentación combinada
Los sistemas de lodos activados son procesos continuos de mezcla completa utilizados para el tratamiento aguas residuales, proveen un tratamiento biológico para la eliminación de cargas orgánicas biodegradables bajo las condiciones aeróbicas. El oxígeno puede estar abastecido por una aireación mecánica o difusa para proveer el oxígeno requerido, y sostener el proceso biológico aeróbico (Metcalf & Eddy, 1995). El proceso de mezcla puede ser provisto por la aireación misma o en forma mecánica para mantener a los organismos microbianos en contacto con la carga orgánica disuelta. El pH debe estar controlado para optimizar el proceso, los nutrientes esenciales deben estar presentes para facilitar el crecimiento biológico. Este sistema es comúnmente construido en acero, para caudales pequeños y para caudales mayores se utilizan construcciones de hormigón. (Ramalho, 1993). A continuación en la tabla 3 se presentan los principales parámetros de diseño de un sistema convencional de lodos activados.
Tabla 3. Parámetros de diseño y control de procesos de lodos activados.
Fuente: Romero, 1998
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5.1. PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UN PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. El esquema de parámetros necesarios para el diseño se puede entender fácilmente suponiendo que es un reactor de mezcla completa. El tiempo de aireación, la carga volumétrica o carga de DBO por unidad de volumen, sólidos suspendidos de licor mezclado, la relación alimento/microorganismos (F/M) y el tiempo promedio de retención celular son los parámetros más usados en el diseño de lodos activados. (Sanitaire, 2001) 5.1.1. Tiempo de aireación. Es función de la concentración de DBO del afluente y del volumen del tanque de aireación.
QV
=θ (7)
Donde: θ = Tiempo de retención hidráulica o tiempo de aireación, días V = Volumen del tanque de aireación, m3 Q = Caudal del afluente, m3/d 5.1.2. Relación alimento/microorganismos. Es una forma de expresar la carga de DBO por unidad de masa microbiana en el sistema.
XVSoQ
MF
**
= (8)
Donde: F/M = Relación alimento/microorganismos,( gDBO/gSSVLM. d) X = SSVLM, concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, mg/L En la mayoría de aguas residuales domésticas, el valor óptimo de la relación F/M se encuentra entre 0,05 y 0,3. En este rango el lodo tiene buenas características de sedimentabilidad, es floculento. Si la relación es menor que 0,05 indica que la cantidad de alimento (sustrato) es insuficiente para mantener el crecimiento de los microorganismos, por lo tanto el sistema se mantendrá en respiración endógena, en donde el lodo generado tiene baja decantación. Por otro lado si la relación es mayor a 0,3 existe el riesgo de un desarrollo predominante de microorganismos filamentosos, que permanecen suspendidos formando un lodo difuso o bulking (Metcalf y Eddy, 1995).
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5.1.3. Edad del lodo. La edad del lodo representa el tiempo medio que una partícula de SSV permanece bajo aireación. Se le conoce también como tiempo medio de retención celular, es un parámetro de diseño y operación propio de los procesos de lodos activados. Que resulta de la relación de la masa de SSVLM, dividido por la masa de SSV purgada del sistema por día. El parámetro normalmente se expresa en días (Ramalho, 1993).
XeQeXrQwXVc
***+
=θ (9)
Donde: θc = Edad del lodo, d Qw = Caudal del lodo dispuesto, m3/d Xr = Concentración de SSV en el lodo dispuesto, mg/L Qe = Caudal efluente tratado, m3/d Xr = Concentración de SSV en el efluente tratado, mg/L 5.1.4. Sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado (SSVLM). Representan la fracción orgánica de los sólidos suspendidos, es decir la componente de la biomasa. La concentración de SSLM puede variar en un rango que va desde 1500 a 5000 mg/l de acuerdo a las necesidades de tratamiento. 5.1.5. Índice volumétrico de lodos (IVL). Corresponde al volumen (en mililitros) ocupados por un gramo de sólidos en suspensión totales de licor de mezcla, expresados en peso seco, después de sedimentar durante 30 minutos en una probeta graduada de 1000ml. Los valores de IVL típicos con buenas características de sedimentabilidad, con concentraciones entre 800 y 3500 mg SSVLM /L están entre 35 y 150ml/g (Ramalho, 1993). Los valores superiores a 150 se asocian en general con el crecimiento de bacterias filamentosas. 5.1.6. Carga volumétrica. Se expresa usualmente en gramos aplicados por metro cúbico de volumen de licor en el tanque de aireación tal como indica la siguiente ecuación:
VSoQCOV *
= (10)
Donde: COV = carga orgánica volumétrica, gDBO/ m3d So = Sustrato de entrada, g DBO
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5.2. FACTORES AMBIENTALES QUE AFECTAN UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS Los factores ambientales más importantes son la temperatura y el pH. La temperatura es un factor importante ya que no solo influencia la actividad metabólica de la población bacteriana, sino que tiene un efecto profundo en factores tales como las tasas de transferencia de gas y las características de asentamiento de los sólidos biológicos (Grady, 1995). Así que la temperatura afecta directamente la cinética de degradación y crecimiento bacteriano, por lo tanto es un factor importante a considerar. En cuanto al pH, su control puede ser necesario en aguas residuales de baja alcalinidad, en la digestión aerobia del lodo y en la nitrificación. 5.2.1. Oxígeno disuelto. La existencia de oxígeno disuelto en el proceso al momento de la aireación indica que los microorganismos se encuentran en un medio óptimo para su crecimiento y desarrollo. La concentración de oxígeno disuelto varía de 0,2 mg/l a 2 mg/l, estos valores son suficientes para mantener las condiciones aerobias de crecimiento de los microorganismos. 5.2.2. pH. Este parámetro es una forma práctica de comparar la acidez o la alcalinidad relativa de una solución a una temperatura dada. El pH en un tratamiento biológico debe oscilar entre 6 y 8 unidades de pH, para garantizar la supervivencia de los microorganismos. 5.2.3. Temperatura. La importancia de la temperatura viene dada porque los cambios en la temperatura del agua residual pueden modificar la velocidad de las reacciones que intervienen en el proceso. Los rangos óptimos de la temperatura se encuentra en un rango de 15 a 40°C (mesofílica). 5.2.4. Necesidades de nutrientes. Según Ramalho (1993) para la degradación biológica aerobia de las aguas residuales, se requiere una cantidad apropiada de ciertos nutrientes, además del carbono. Los nutrientes que se encuentran presentes en las aguas residuales son nitrógeno, fósforo, calcio, magnesio, hierro y vitaminas entre otros. Pero el nitrógeno y el fósforo, son en la mayoría de los casos, los principales elementos nutritivos, tanto para la síntesis celular, como para la síntesis de proteínas, por lo tanto es preciso conocer datos sobre la presencia de estos en las aguas residuales y en que cantidades se encuentran, así evaluar la posibilidad del tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales mediante procesos biológicos. (Metcalf y Eddy, 1995).
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Existen una serie de sustancias que pueden inhibir el crecimiento del floc biológico unas de ellas son:
Tabla 4. Concentración máxima de sustancias inhibidoras de crecimiento biológico
Fuente: Crites, 1998
5.3 REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES (SBR) De acuerdo a la Agencia de protección ambiental EPA, (1999) de los Estados Unidos, un reactor biológico de cargas secuenciales (SBR) es: “ Un sistema de lodos activados para el tratamiento de agua residual doméstica e industrial, que utiliza ciclos de llenado y descarga. En este reactor el agua residual entra por cochadas; donde el flujo recibe un tratamiento biológico para remover componentes indeseables. En el sistema la homogenización de caudales, la aireación y la sedimentación se logra en un solo reactor. Para optimizar el desempeño del sistema, se utilizan dos o más reactores en una secuencia de operación predeterminada. En los últimos años los sistemas SBR han sido utilizados con éxito para tratar aguas residuales domésticas e industriales”. Según Bretti (2002): “Los procesos unitarios que intervienen en un sistema SBR son idénticos a los de un proceso convencional de lodos activados. En ambos sistemas intervienen la aireación y la sedimentación. No obstante, existe entre ambos una importante diferencia. En las plantas convencionales, los procesos se llevan a cabo simultáneamente en tanques separados, mientras que en los SBR los procesos tienen lugar en un mismo tanque o reactor”. Este sistema se caracteriza por su flexibilidad operativa, poco espacio requerido para su funcionamiento, posibilidad de ser totalmente automático, capacidad para homogeneizar el ingreso de afluentes, controlar caudales intermitentes, así como la inexistencia de flujo continuo entre otras cosas.
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El afluente generalmente es tratado previamente para remover material indeseable en un tratamiento biológico antes de llegar al SBR. El tratamiento del agua residual en un reactor de este tipo se realiza mediante fases o etapas en las cuales se desarrollan procesos físicos y biológicos.
5.3.1. Etapas generales de un sistema SBR. Un reactor biológico de cargas secuenciales (SBR), esta compuesto por una serie de etapas aerobias, anaerobias y anóxicas que permiten la degradación y síntesis de la materia orgánica. Normalmente un reactor trabaja bajo 5 fases de operación: fase de llenado, aireación-reacción, sedimentación, extracción y purga de lodos.
Gráfica 4. Etapas generales de un SBR convencional
Fuente: Adaptado de Bretti, 2002
Las etapas básicas de funcionamiento consisten en:
5.3.1.1. Llenado. El líquido afluente (sustrato) es bombeado uniformemente para establecer buen contacto entre los microorganismos y el sustrato existente. Este período finaliza cuando se alcanza el tiempo máximo previsto para el ciclo o bien cuando el tanque está lleno. Es conveniente que haya comenzado o comience la aireación una vez finalizado este período.
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Gráfica 5. Fase de llenado
Fuente: Aqua aerobics system, 2007
La fase de llenado se caracteriza por la ausencia de oxígeno, las mediciones de oxigeno disuelto son menores a 0.5 mg/l, se incrementa la concentración de nitrógeno Total de Kjeldahl (TKN) conformado por nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal (NH3-N). a través del proceso de hidrólisis la mayoría del nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno amoniacal, el cual a su vez es oxidado por el proceso de nitrificación en presencia de oxígeno en la fase siguiente (Metcalf & Eddy, 2003).
Tabla 5. Principales características de la fase de llenado estático
Fuente: Autores, 2008
A medida que el agua continúa entrando al reactor y se enciende el suministro de oxígeno, los sopladores comienzan a entregar oxígeno en el reactor, convirtiendo paulatinamente el estado anóxico en estado aeróbico.
5.3.1.2. Aireación – reacción. En este período se producen todas las reacciones metabólicas por las cuales la biomasa consume la materia orgánica en presencia de oxígeno. Durante esta etapa algunos microorganismos mueren por falta de alimento, lo que ayuda a reducir el volumen de lodo a sedimentar. La duración de este período determina el grado de eliminación de DBO logrado.
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Gráfica 6. Fase Aireación - Reacción
Fuente: Aqua aerobics system, 2007
La ausencia de flujo proporciona una oportunidad para la remoción de los contaminantes, produciendo una reducción del material orgánico y del nitrógeno presente en el reactor. El promedio de oxígeno disuelto medido debe estar en un rango de 2 mg/l a 4 mg/l, para que ocurran las reacciones de oxidación biológica y remoción de nutrientes.
Tabla 6 Principales características de la fase Aireación - Reacción
Fuente: Autores, 2008
5.3.1.3. Sedimentación. En esta etapa se interrumpe la aireación, y por gravedad se separa el lodo del líquido clarificado físicamente como en un proceso normal de lodos activados. En el tratamiento SBR se elimina la necesidad de transferir el lodo del sedimentador al reactor por recirculación, por lo tanto la recirculación es eliminada.
Gráfica 7. Fase de sedimentación
Fuente: Aqua aerobics system.com
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En este momento, las fases precedentes han logrado la reducción de compuestos orgánicos (DBO5), mediante los procesos de oxidación biológica, nitrificación, desnitificación y remoción biológica de fósforo.
Tabla 7. Principales características de la fase de sedimentación
Fuente: Autores, 2008
5.3.1.4. Extracción – decantación. Luego de un tiempo suficiente para producirse una buena separación entre el lodo sedimentado y el agua sobrenadante, se activa automáticamente la bomba de extracción. Este período se caracteriza por la eliminación del efluente tratado, desde aproximadamente 50 cm. por debajo de la superficie, logrando excluir los sólidos flotantes.
Gráfica 8. Fase de Extracción - Decantación
Fuente: Aqua aerobics system.com
La eliminación del líquido clarificado se realiza sin perturbar el lodo sedimentado evitando la formación de fuerzas ascendentes que arrastren sólidos que puedan dañar la calidad del efluente.
Tabla 8. Principales características de la fase de Extracción- Decantación
Fuente: Autores, 2008
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5.3.1.5. Purga – reposo. El período final consiste en la eliminación del lodo excedente, que es bombeado al digestor aeróbico, para la posterior eliminación del sistema. Siendo esta una de las etapas mas importantes del proceso. El reactor SBR, al ser una variación del proceso de lodos activados, depende del desarrollo de una cultura mixta de bacterias y otras formas de vida microbiana para lograr los objetivos de tratamiento. Como resultado de la degradación biológica de la materia orgánica y la acumulación de material inerte presente en la mayoría de las aguas residuales, es necesario descargar ciertas cantidades de sólidos de los reactores para mantener una concentración entre 4500 y 5000 mg/l de sólidos suspendidos de licor mezclado. (Tchobanoglous,1998)
Tabla 9. Principales características de la fase de purga y reposo
Fuente: Autores, 2008
La duración de esta fase depende de la producción de lodos en el reactor y la cantidad de lodos que se desean extraer. 5.3.2 Eliminación biológica de nitrógeno en el SBR. Al igual que en un proceso continuo, la eliminación de nitrógeno en un SBR se puede conseguir mediante nitrificación y desnitrificación biológica. En la primera de ellas, el amoniaco se transforma por vía aerobia a nitrato (NO3). En la segunda etapa, los nitratos se convierten a nitrógeno molecular gaseoso (N2). Para llevar a cabo la desnitrificación, en la fase anóxica es necesario disponer de una fuente de carbono, ya sea externa o de respiración endógena de la biomasa presente. Este proceso biológico indica la capacidad que tienen algunas bacterias, bajo ciertas condiciones, de transformar el nitrógeno presente en forma de nitratos a nitrógeno elemental. En la siguiente figura se describen los diferentes procesos y los reactantes que se generan en la asimilación de los compuestos nitrogenados (amonio, nitratos y nitritos).
.
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Gráfica 9. Proceso de nitrificación/desnitrificación
Fuente: Autores, 2008
El nitrógeno elemental se produce por la acción de ciertas bacterias heterótrofas facultativas generadas por el nitrógeno en forma inorgánica. Según Tchobanoglous (1998), una vez que el nitrógeno orgánico se ha transformado en amoniaco, a su vez es transformado en nitritos por la acción de bacterias denominadas nitrosomonas, y éstos, a su vez, son transformados en nitratos por las bacterias llamadas nitrobacter, siempre y cuando se den las siguientes condiciones: ausencia de compuestos orgánicos oxidados, pH mayor de 6.5 hasta 8 se obtiene el óptimo rendimiento, temperatura óptima entre 28 y 32°c, por debajo de 10°c no hay reacción, el oxígeno disuelto debe ser mayor a 1.5 mg/l. Es importante prever las necesidades de oxígeno: para oxidar 1 kg de N2 se necesitan 4.57 kg de O2, la edad del lodo o tiempo medio de residencia celular en el tanque de aireación debe estar entre 4 y 6 días, pues de lo contrario no aparecen las nitrosomonas y las nitrobacter, ya que el crecimiento de estas bacterias es muy lento. Las reacciones que se producen son: 2NH4
+ + 3O2 + NITROSOMONAS ==== > 2NO2- + 4H+ + NUEVAS CELULAS
2NO2
- + O2 + NTROBACTER ==== > 2NO3- + NUEVAS CELULAS
La desnitrificación se produce por la acción de bacterias heterótrofas facultativas que, en ambiente anóxico, son capaces de utilizar el oxígeno de los nitratos para oxidar carbono y producir CO2. 5.3.3. Eliminación biológica de fósforo en el SBR. Para lograr bajas concentraciones de fósforo (P) en un efluente por vía biológica, es necesario
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conseguir que los microorganismos acumulen este elemento más allá de sus necesidades metabólicas de crecimiento. Así, la eliminación biológica de fósforo se basa en exponer la biomasa a ciclos anaerobio-aerobio. En el tiempo de contacto anaerobio, las bacterias que intervienen en la eliminación biológica del fósforo, usan sus reservas intracelulares de polifosfatos como fuente de energía, y almacenan sustratos orgánicos simples, como los ácidos grasos volátiles (AGV), lo que favorece la liberación de fósforo en la fase anaerobia. Durante la fase aerobia, las bacterias usan sus reservas de carbono como fuente de energía y acumulan más fósforo que el liberado en la fase previa, almacenando este elemento muy por encima de sus necesidades estequiométricas. Al finalizar esta fase, la biomasa rica en fósforo debe ser retirada, para completar el proceso de eliminación biológica de fósforo. Así, al exponer la biomasa a ciclos alternos anaerobios aerobios, se realiza la selección de microorganismos con la capacidad de almacenar fósforo en cantidad superior a sus necesidades estequiométricas de crecimiento. El microorganismo más comúnmente asociado a la eliminación biológica del fósforo pertenece al género Acinetobacter entre los cuales se han aislado e identificado las especies A. lwoffi (Fuhs & Chen, 1975) A. Junii;y A. Johnsonii (Beacham et al., 1990). Hoy día se sabe que el género Acinetobacter contribuye, pero no siempre predomina en la eliminación biológica de fósforo, en este sentido, en un estudio realizado por Cloete y Steyn (1988), se indica que el género Acinetobacter es responsable sólo del 35% de la acumulación total de fósforo eliminado. Otros microorganismos también ligados al fenómeno de la eliminación biológica de fósforo son las Pseudomonas vesicularis y Klebsiella pneumoniae (Bowker y Stensel, 1990). La teoría actualmente aceptada para conseguir la eliminación biológica de fósforo es que el acetato y otros ácidos grasos de cadena corta, productos de la fermentación anaerobia, son captados y almacenados dentro de la célula, en forma de poli-ßhidroxi-butirato (PHB).
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Gráfica 10. Mecanismo de eliminación biológica de fósforo
Fuente: Castro y Tejero, 1999 Cuando las bacterias captan compuestos orgánicos solubles, y forman productos de almacenamiento intracelular, deben gastar energía, la cual se consigue de forma anaerobia al romper los enlaces entre los fosfatos almacenadas en las cadenas inorgánicas de polifosfatos (Gráfica 10). Este proceso tiene como resultado la liberación de ortofosfatos, y un consumo de materia orgánica (Gráfica 11). En la fase aerobia, la materia orgánica carbonosa presente en el seno del líquido es oxidada, y luego, el sustrato orgánico anteriormente almacenado en forma de PHB, se oxida por vía aerobia a CO2, agua y nuevas células, y los ortofosfatos solubles se captarán rápidamente para conseguir una nueva síntesis de polifosfatos intracelulares. Este mecanismo sugiere que el nivel de fósforo eliminado por vía biológica se encuentra relacionado de forma directa con la cantidad de sustrato que pueda ser fermentado por los microorganismos en la fase anaerobia, y luego asimilado y almacenado como productos de fermentación.
Gráfica 11. Perfil de concentraciones de DBO y P en la eliminación biológica de fosforo
Fuente: Castro y Tejero, 1999
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6. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Para el desarrollo del proyecto se utilizó una metodología estructurada en seis grandes fases, las cuales fueron:
Gráfica 12. Esquema general de la metodología del proyecto
Fuente: Autores, 2008
A continuación se resume cada una de las etapas involucradas en el presente proyecto, de las cuales, las más relevantes, se desglosarán en capítulos posteriores.
6.1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
Teniendo en cuenta la importancia de esta fase se recopiló la información necesaria de diferentes fuentes bibliográficas para fundamentar el desarrollo de la investigación. La consulta tuvo el objetivo de indagar acerca de antecedentes relacionados con el tratamiento de aguas residuales domésticas, conocer las características generales y técnicas del tratamiento biológico para su depuración; teoría acerca de lodos activados y sus principios de funcionamiento; reactores más utilizados en la actualidad (teoría y fundamentos de diseño). Para la recolección de información se indagaron bases de datos de las universidades del campo medioambiental de carácter nacional e internacional, con el fin de complementar estrategias propuestas y lograr la conformación de nuevo conocimiento en dicho campo.
Otra de las tareas realizadas en esta fase, fue la consulta de literatura referente a técnicas de identificación del comportamiento hidrodinámico en reactores a escala de laboratorio, por medio de la utilización de trazadores.
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6.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR
Esta fase consistió en la compilación y selección de datos relevantes tomados de la bibliografía consultada para el diseño y construcción del reactor PFSBR. Además se presentan las características del afluente utilizado, el diseño del reactor y cada una de sus unidades complementarias, tales como: el tanque de alimentación, las bombas dosificadoras, los sopladores, los difusores y el decantador. Las consideraciones de diseño tomadas en esta fase, fueron las dimensiones del reactor, la distribución de los equipos y accesorios, el caudal a tratar, y en cuanto al aspecto biológico se tuvo en cuenta la carga orgánica, la carga volumétrica, el tiempo de retención hidráulico, la edad de lodo, los sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado, el índice volumétrico de lodos, entre otros.
Una vez generadas las hojas de cálculo, se plasmaron planos de perfil, planta e isométricos a escala 1:100, para visualizar el diseño preliminar del sistema. Terminada la fase de diseño y adquisición del material, se comenzó la construcción del sistema; para ello, fue necesario realizar una serie de actividades secuenciales: adecuación del espacio de emplazamiento, construcción del reactor principal, instalación de mangueras y válvulas y la adaptación de equipos.
El reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón se construyó con presupuesto de los autores en las instalaciones de la planta piloto de la facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad de la Salle, mas exactamente en el laboratorio de la facultad de Ingeniería Ambiental y sanitaria, con el fin de constituirse en una herramienta continua de aprendizaje e investigación para los estudiantes.
6.3. IMPLEMENTACIÓN
Se realizaron varias pruebas hidráulicas para verificar la existencia de posibles fugas y el correcto funcionamiento de los equipos. Paralelamente se realizó una selección del trazador a utilizar en las pruebas hidrodinámicas mediante el estudio de su comportamiento en diferentes volúmenes de agua cruda.
Posteriormente se llevó a cabo el estudio hidrodinámico basado en dos metodologías, el modelo simplificado de la teoría de Wolf - Resnick y el análisis de la curva de tendencia del trazador, para determinar las características hidráulicas del reactor. Se adoptó el protocolo de aplicación de trazadores ( ver anexo D) para un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón (PFSBR) diseñado por los autores.
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Una vez realizado el estudio hidrodinámico, se preparó un agua residual sintética que simuló las condiciones de un agua residual doméstica, garantizando los requerimientos nutricionales apropiados para el crecimiento de los microorganismos, una vez adaptado el lodo biológico se dio arranque al sistema bajo condiciones normales de funcionamiento.
A lo largo de la etapa de experimentación se evaluaron las condiciones ambientales, los parámetros de control y la eficiencia en remoción de materia orgánica; el sistema se operó bajo dos modalidades: 4 semanas como un SBR convencional y 22 semanas como PFSBR. Los parámetros medidos fueron: temperatura (°C), conductividad (µs/cm), oxígeno disuelto (mg/L), sólidos disueltos totales (mg/L), demanda bioquímica de oxígeno (mg/L), demanda química de oxígeno (mg/L) y sólidos suspendidos totales (mg/L).
6.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Una vez realizadas las pruebas experimentales se analizaron los resultados de las pruebas hidrodinámicas bajo los dos escenarios; donde se determinó el sistema más eficiente hidráulicamente a través de la evaluación de las metodologías propuestas.
A partir del escenario elegido en las pruebas hidrodinámicas, recopilando la información en series de tablas para su fácil análisis se evaluó el comportamiento de cada uno de los siguientes parámetros: la temperatura, el oxígeno disuelto, la conductividad y los sólidos disueltos totales; paralelamente se realizó un seguimiento de los siguientes parámetros de control: la carga másica (f/m), los sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado, el índice volumétrico de lodos y la carga volumétrica.
Al compilar los datos se analizó el comportamiento al interior del reactor y los pares de muestras (afluente y efluente) para conocer la eficiencia de remoción de materia orgánica y se correlacionaron los datos más importantes. Por último se determinó la viabilidad técnico y económica para la implementación del sistema PFSBR a escala real, teniendo en cuenta aspectos como la inversión inicial, costos de operación y mantenimiento, valor actual neto (VAN) y la relación Beneficio /Costo para determinar la opción mas favorable.
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7. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR El reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón a escala de laboratorio (PFSBR), fue diseñado y construido en su totalidad en las instalaciones de la Universidad de la Salle en la planta piloto de la facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria. Se alimentó con agua residual sintética (ARS), con características promedio de un agua residual doméstica, cuya composición incluye nitrógeno, fósforo, carbono, glucosa, potasio y minerales para obtener una DQO y DBO promedio de 550 mg/l y 250 mg/l respectivamente.
El reactor presentado en la gráfica 13 manejó un caudal de 8.3 LPH regulado a través de dos bombas dosificadoras, tipo diafragma, las dimensiones utilizadas fueron largo 1.20m, ancho 0.30m y altura 0.50m.
Gráfica 13. Esquema general del sistema PFSBR
Fuente: Autores, 2008
El PFSBR es un sistema de flujo continuo diseñado a partir de un sistema SBR convencional, el reactor utiliza el principio de lodos activados de mezcla completa. Su funcionamiento se basa en la secuencia de ciclos de aireación, sedimentación, y decantación con alimentación continua, a diferencia del SBR convencional donde la alimentación se lleva a cabo una vez se completan los ciclos. El PFSBR realiza todo el proceso en un único reactor mientras que una planta convencional SBR, sucede mínimo en dos reactores que operan alternadamente: mientras que en el primer reactor ocurre la aireación, en el otro ocurre la sedimentación y decantación.
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Gráfica 14. Esquema general de la planta piloto PFSBR
Fuente: Autores, 2008
La unidad piloto consistió en dos zonas principales, las cuales estaban divididas por una pantalla perpendicular al flujo; en la primera zona ocurre un proceso de pre-reacción, que desempeña una tarea de selección biológica, limitando el crecimiento de bacterias filamentosas, que generan una formación de lodo con pobres características de sedimentabilidad, conocido comúnmente como bulking. En la primera fase del proceso biológico se asegura un nivel elevado de la relación alimento/microorganismos a concentraciones de oxígeno disuelto estables donde la presencia de gran cantidad de substrato permite la rápida adsorción de la materia orgánica soluble por parte de los organismos formadores de flóculos. La rápida eliminación de la materia orgánica impide la asimilación por parte de los microorganismos filamentosos, lo cual ha sido probado en otros estudios a escala real y laboratorio según lo enuncia Albertson (1987), utilizando selectores aireados, no aireados, anoxicos y anaerobios, el tiempo del selector es relativamente corto, normalmente puede tardar de 10 a 30 min. Adicionalmente en esta zona no sólo se disipa la energía de llegada al reactor sino que permite la flotación de grasas no emulsionadas, constituyéndose entonces en una unidad similar a una trampa de grasas. Usualmente los reactores SBR utilizan un PLC (programmable logic controller) que activa y controla las tareas diarias del sistema, facilitando la operación y por ende minimizando los errores operacionales, ocasionados por el descuido del operario, para este caso se manipuló manualmente debido a los altos costos de implementación. Una vez el agua residual no tratada supera la zona de pre-reacción, llega a la zona de reacción donde ocurre la mayor parte de los procesos de remoción de la
SOPLADOR 1
DECANTADOR
AFLUENTE
VALVULA
DIFUSOR
EFLUENTE
BOMBAS PERISTALICAS
(DOSIFICACIÓN)
TANQUE
DE
ALINTACIÓN
SOPLADOR 2
SOPLADOR 3
FPSBRAgua Clarificada
Lodo Sedimentado Pantalla de Pre-reacción
Válvula de Succión bomba 1 Válvula de Succión bomba 2
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carga contaminante, intercambiando periodos aerobios y anóxicos a los largo de un ciclo. A continuación se describen detalladamente cada una de las fases del sistema:
7.1. FASES DE OPERACIÓN DEL PFSBR El reactor tiene un tiempo de retención hidráulica de 24 horas, en donde se lleva a cabo un único ciclo continuo compuesto por tres etapas; aireación, sedimentación y decantación tal como lo indica la siguiente tabla.
Tabla 10. Fases de operación del PFSBR
Fuente: Autores, 2008
A continuación veremos cada uno de ellos detalladamente: 7.1.1. Aireación. Teniendo en cuenta que el sistema PFSBR utiliza un principio de lodos activados, la fase de aireación se consideró como el soporte de la oxidación y la base para las reacciones de sintetización de una gran parte del material orgánico en nuevas células, en esta fase del ciclo se desarrollan todas las reacciones metabólicas por las cuales la biomasa consume la materia orgánica en presencia de oxígeno.
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Fotografía 2. Sistema de aireación de izquierda a derecha burbujeo, difusores de burbuja fina y soplador eléctrico
Fuente: Autores, 2008
Durante esta etapa el afluente se mezcla con el lodo biológico en el reactor, recibe un aporte de oxígeno que cumple dos funciones; mantener los sólidos en suspensión, impidiendo la sedimentación de los mismos y el suministro del oxígeno necesario para la oxidación de la materia orgánica. En estas condiciones las bacterias se reproducen y crean una población tal, que forma flóculos grandes y pesados, que retienen la materia orgánica disuelta. El tiempo que tarda el período de aireación determina el grado de reducción de DBO5 en el proceso. En este reactor se pueden presentar procesos de nitrificación y desnitrificación, cuando el sistema de aireación es encendido y apagado cíclicamente, creando condiciones anóxicas y aeróbicas alternadas. Según Metcalf y Eddy (2003) en el período aireado, el oxígeno disuelto debe estar en un rango de 2 a 4 mg/l y en el período anóxico entre 0.5 y 1 mg/l, para que ocurran los procesos de oxidación biológica, nitrificación y desnitrificación.
Gráfica 15. Ciclo de operación normal de un PFSBR
Fuente: Autores, 2008
A partir de la literatura consultada en estudios de investigación desarrollados por Zhu (2004), se decidió intercambiar micro ciclos de sedimentación tal como indica la gráfica 15 en la fase de aireación, para lograr el incremento de la oxidación biológica y desnitrificación. Ya que esto permite al oxígeno disuelto disiparse y al nitrato ser usado por microorganismos consumidores, liberando de esta forma el nitrógeno. Por otro lado en presencia de oxígeno, el nitrógeno amoniacal (NH3-N) se convierte primero a nitrógeno de nitrito (NO2-N) a través de las nitrosomonas, para luego convertirse en nitrógeno de nitrato (NO3- N) a través de las
Micro ciclos de
1hora de Sedimentación
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nitrobacterias. Según Tchobanoglous (2000) cuando una zona anaerobia es seguida de una zona aerobia, los microorganismos muestran una toma de fósforo por encima de los niveles normales, el cual no solo utilizan para el mantenimiento de la célula, la síntesis y el transporte de energía, sino que es almacenado para su uso posterior. 7.1.2. Sedimentación. Una de las fases de mayor relevancia es la sedimentación en esta etapa consiste en la separación, por la acción de gravedad, del afluente tratado y el lodo activado. En esta fase se apaga el sistema de aireación para que ocurra la separación sólido/líquido, los sólidos por gravedad se ubican en el fondo del reactor dejando el agua clarificada en la parte superior. Esta fase se cataloga como un proceso natural, por el cual las partículas más pesadas que el agua son depositadas en el fondo por la acción de gravedad. En la fotografía 3 podemos observar el PFSBR en fase de sedimentación.
Fotografía 3. Fase de sedimentación
Fuente: Autores, 2008
Durante esta fase ocurre la mayor parte de la desnitrificación ya que en la decantación ocurre una desnitrificación adicional simultánea a la remoción de efluente clarificado, en este momento, las fases precedentes han logrado la reducción de compuestos orgánicos (DBO5), mediante los procesos de oxidación biológica. 7.1.3. Decantación. El proceso termina con la fase de decantación, una vez terminada la fase de sedimentación, una válvula se abre para que se inicie el proceso de extracción del agua tratada. Durante esta etapa el decantador es usado para remover el agua clarificada, con el sistema se retira aproximadamente el 20% del volumen efectivo en un tiempo promedio de 1 a 2 horas, según desee el operador aunque en el proceso se mantienen largos tiempos de descarga para no perturbar el manto de lodos y evitar el arrastre de sólidos. .
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El sistema decantador fue instalado de tal manera que permite ascender y descender con el nivel del agua en un rango de 10cm, extrayendo siempre el agua desde la superficie lo cual evita la generación de fuerzas ascendentes que generan turbulencia al interior del reactor provocando el arrastre de sólidos suspendidos. La unidad decantadora presenta una serie de orificios que hacen las veces de vertedero de salida y simula un sistema de descarga de velocidad lenta que incorpora un sello positivo que evita el ingreso de sólidos que pudiesen taponar la unidad. Una vez el reactor ha sido decantado hasta la profundidad mínima de agua, la fase termina cerrando la válvula manualmente. Este nivel de agua mínimo se ha diseñado para mantener una concentración entre 2500 y 3500 mg/l de sólidos suspendidos de licor mezclado SSLM. En la siguiente fotografía se puede apreciar el diseño del sistema de decantación
Fotografía 4. Diferentes vistas del sistema de decantación hidráulico
Fuente: Autores, 2008
7.2. CRITERIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA Según Raigoza (2007) existen diferentes autores que mencionan los parámetros para el diseño de un sistema SBR convencional, los cuales sirven de sustento básico para el diseño de un FPSBR, entre ellos se destacan Metcalf y Eddy, Crites, Tchobanoglous, EPA y el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico. El esquema de parámetros necesarios para el diseño del PFSBR se puede entender fácilmente, suponiendo que es un reactor de aireación extendida. Que requiere un especial cuidado en el tiempo de aireación, la carga volumétrica, sólidos suspendidos de licor mezclado, relación alimento/microorganismos (F/M) y la edad del lodo (Sanitaire, 2001). A continuación en la siguiente tabla se hace resumen de estos parámetros.
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Tabla 11. Parámetros de diseño de un sistema PFSBR
Fuente: Modificado de Raigoza, 2007
Aparte de los parámetros de diseño mencionados con anterioridad, también fueron tomados en cuenta algunos autores que han enfatizado en estudios de investigación con reactores de lodos activados y sistemas SBR a escala de laboratorio entre los cuales sobresalen; Zhu (2004), Corominas (2006) y Grady (1999) a partir de este conjunto de criterios se decide trabajar con los siguientes parámetros de diseño:
Tabla 12. Parámetros de diseño asumidos para el PFSBR
Proceso F/M (Kg DBO/Kg SSLM.dia)
SSLM (mg/L)
TRH (Horas)
Carga Volumétrica (Kg DBO/m3.dia)
Edad de lodo (Días)
Aireación extendida
0.1 3500 24 <0.4 16
Fuente: Autores, 2008
7.3. DISEÑO GENERAL DE UNIDADES Y EQUIPOS
Para el diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales, el primer paso es determinar por anticipado las características del agua a tratar y los requisitos de los efluentes de salida. Estos parámetros del afluente típicamente incluyen: caudal
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de diseño, temperatura, caudal máximo diario, DBO5, DQO, pH, oxigeno disuelto, SST y todos los demás parámetros que se consideren necesarios evaluar. Una vez que el afluente y las características del efluente del sistema fueron determinados, se recurrió a los diferentes parámetros de diseño para cada una de las unidades del sistema. Para el número de ciclos con el volumen del reactor se pueden estimar los tiempos de las distintas etapas, en forma teórica. A continuación se realiza una descripción acerca del diseño de cada una de las unidades que componen el PFSBR. 7.3.1. Diseño del reactor. Para el diseño de esta unidad en primera medida se definió la calidad del afluente a través de 3 caracterizaciones puntuales enunciadas en la tabla 20 donde se muestran los resultados de la caracterización del agua residual sintética. A partir de estos datos se procedió a definir la calidad del efluente esperado.
Tabla 13. Parámetros de diseño del sistema PFSBR
REACTOR BIOLOGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE
FLUJO A PISTON
PARAMETROS DE DISEÑO
PARAMETRO RANGO OPTIMO TEMPERATURA 20 – 40 °C pH 6 - 8 unidades DQO / DBO < 3 DBO : N : P 100 : 5 : 1 IVL 85 – 125 mL/g SSLM 3500 mg / l CARGA VOLUMETRICA < 0,4 kg DBO /m3 . dia RELACION F/M 0.1Kg DBO/ Kg SSVLM .dia
TRH 24 HORAS ALPHA ( α ) 0.5 – 0.8
Fuente: Autores, 2008 Teniendo en cuenta los diferentes parámetros mencionados con anterioridad se realizaron los diferentes cálculos para el diseño del reactor que pueden ser consultados en el anexo A. Las conexiones de entrada y salida del efluente son tuberías de polivinilo de cloruro (PVC) de diámetro ½”, con sus respectivos flanches y codos de 90°. Como equipos auxiliares, el PFSBR cuenta con un tanque de alimentación, un sistema de aireación y un decantador hidráulico que se describen a continuación.
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7.3.2. Diseño de los equipos auxiliares. Al sistema PFSBR lo complementan el tanque de alimentación, el sistema de aireación y el decantador, a continuación se dan parámetros claves de cada uno de estos equipos.
7.3.2.1. Tanque de Alimentación. Esta unidad recibe el afluente por gravedad a medida que ingresa el caudal se mezcla el flujo entre si, el recipiente tiene una capacidad de almacenamiento de 70 litros, en su interior almacena las membranas de absorción de las bombas diafragma que conducen el caudal hacia el PFSBR, en la siguiente tabla podemos apreciar los parámetros de diseño y una figura ilustrativa del sistema.
Tabla 14. Parámetros de diseño del tanque de alimentación TANQUE DE ALIMENTACIÓN PARÁMETROS DE DISEÑO
PARAMETRO VALOR ADOPTADO TIEMPO DE RETENCIÓN 24 horas VOLUMEN DEL REACTOR 0,149 m3 CAUDAL DE DISEÑO 2 ml/s MATERIAL Polietileno de alta
densidad VOLUMEN TANQUE 70 litros
Como se utilizó agua residual sintética preparada no fue necesario implementar un tamiz para remoción de sólidos, como tratamiento preliminar.
Fuente: Autores, 2008 7.3.2.2. Sistema de aireación. Es un equipo de aireación difusa que consta de tres sopladores ATMAN accionados por motores eléctricos, se instalaron en láminas fijas de acero para trabajo continuo. En el fondo del PFSBR se instalaron 6 difusores tubulares porosos de burbuja fina, los cuales están provistos de una membrana moldeada que tiene unos pequeños agujeros los cuales se abren al ingresar aire a presión. Cuando no hay aire los orificios permanecen cerrados actuando como una válvula check. Los extremos de cada difusor tienen una conexión roscada para poder ser conectada a las mangueras de distribución de aire que manejan presiones reducidas (inferiores a 0,7 kg/cm2) tal como indica un estudio similar a escala de laboratorio desarrollado por Méndez (2004) donde afirma que la eficiencia de transferencia de oxígeno es en promedio 35% garantizando la aireación requerida mediante la producción de una gran cantidad de burbujas finas. A continuación se observa la tabla 15 donde se identifican los principales parámetros de diseño para el cálculo de este sistema.
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Tabla 15. Parámetros de diseño del sistema de aireación SISTEMA DE AIREACION PARAMETROS DE DISEÑO
PARAMETRO VALOR ADOPTADO Cs 9,2 mg / l CL 2 mg/l Kla 2,07 h-1 α 0,85 Sumergencia de difusores 0,45 metros Velocidad flujo de aire 10 litros / segundo β 0,9
La eficiencia de transferencia de oxígeno depende del tipo, dimensiones y geometría de los difusores, el caudal de aire, la profundidad de sumergencia , entre otros.
Fuente: Autores, 2008 7.3.2.3. Decantador. Luego de un tiempo suficiente para producirse una buena separación entre el lodo sedimentado y el agua sobrenadante, se abre manualmente una válvula. Este período se caracteriza por la evacuación del afluente tratado, aproximadamente 9 cm de la altura efectiva del reactor, medidos desde el máximo nivel del agua hacia el fondo de este, la razón principal de dicha elección es evitar el arrastre de sólidos suspendidos. El decantador que se diseño, es un decantador flotante que ofrece el máximo espacio entre la superficie del agua y el fondo del tanque, con el fin de evitar la alteración de la biomasa sedimentada. Es importante resaltar que ninguna espuma de la superficie o residuo sea decantada. Esta fase requirió de un diseño detallado y una serie de parámetros enunciados en la tabla 16.
Tabla 16. Parámetros de diseño sistema de decantación DECANTADOR
PARAMETROS DE DISEÑO
PARAMETRO VALOR ADOPTADO Volumen de llenado 0.029 m3 Tiempo de descarga 120 min Tasa de descarga 0,015 m3 / min Ancho reactor 0,28 m Largo reactor 1, 18 m
Con estos valores se puede determinar la altura de decantación.
Fuente: Autores, 2008
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El proceso de decantación ocurre mediante la manipulación de una válvula cheque, a diferencia de sistemas convencionales que se activan a través de electroválvulas. Una de las dificultades que se presentaron en el momento de conseguir que el decantador se comportara como un decantador automático consistió en la adaptación de la altura efectiva, lo cual obligó a diseñar una nueva configuración del decantador tal como indica la grafica de la tabla 16. 7.4. CONSTRUCCIÓN DEL PFSBR
Una vez realizado el diseño del reactor y sus correspondientes equipos se procedió a la consecución e instalación de cada uno de los accesorios y equipos según planos preliminares, los materiales utilizados para la construcción de los diferentes mecanismos fueron:
Tabla 17. Lista de materiales utilizados en la construcción del PFSBR
Fuente: Autores, 2008
Para la construcción del sistema se adquirió un vidrio macizo reforzado de 10mm, el cual fue perforado con dos orificios de media pulgada, utilizando una broca de
Material Cantidad Unidad Tamiz de 0.5mm 1 m2 Tanque plástico de alimentación 94 litros Manguera plástica color azul 3 Metros Manguera plástica transparente 3 Metros Manguera de látex 1 Metros Tubería PVC ½ ´´ 4 Metros Tubería PVC agua caliente 2 Metros Flanches ½ ´´ 3 Pulgadas Válvulas ½ ´´ 2 Pulgadas Hembras ½ ´´ 10 Pulgadas Machos ½ ´´ 10 Pulgadas Miples 5 Unidades Tapones 10 Unidades codos 45° de ½ ´´ 10 Pulgadas Abrazadera 4 Unidades Lamina metálica 1 mm. 1 Milímetros Lamina acrílico 2 Milímetros Silicona fría 200 Milímetros Soldadura de PVC 100 Milímetros Cinta de teflón 2 Rollos Chupas plásticas 25 Unidades Nylon 1 Rollo Difusores 6 Unidades Tablas de madera 2 Unidades Estructura metálica 1 Unidad Bombas peristálticas 2 Unidades Sopladores 1 Unidad Bolsa de 100 pimpones 1 Unidad Difusores 6 Unidades Madera 2 laminas
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diamante para evitar la ruptura del vidrio, al momento de construir la entrada y salida del sistema se colocaron flanches herméticos, que permitieron unir las tuberías e instalar los sistemas de conducción y aducción. Para mantener rígido el sistema, protegerlo y a su vez, ubicarlo en cualquier zona del laboratorio se emplazó el reactor un marco de acero inoxidable, y se procedió a instalar marcos laterales de manera equidistante cada 25 cm. con el fin de emplazar la pantalla de acrílico con borde de caucho a fin de ser retirada fácilmente en caso de eliminar la división del sistema.
Gráfica 16. Soportes y estructura del PFSBR
Fuente: Autores, 2008
Tal como muestra la gráfica 16, los equipos utilizados fueron dos bombas peristálticas diafragma de caudal serie “F” que tienen una capacidad de dosificación a través de velocidad por señal de inyección, así como la regulación de la velocidad, los componentes hidráulicos instalados para el correcto funcionamiento de las bombas fueron: tubo de aspiración con sonda de nivel y filtro de fondo, tubo impulsión con válvula de inyección, tubo de purga. El sistema de aireación consistió en 3 sopladores, marca ATMAN T-702 cada uno con dos salidas, que por medio de una manguera plástica se interconectaban a seis difusores, de piedra porosa y base plástica, ubicados en el fondo del reactor.
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Los sopladores se colocaron en una plataforma ubicada 20 cm sobre el nivel del agua para evitar que el agua que entra por los difusores llegue hasta ellos por capilaridad, causando daños al equipo.
A continuación se presenta un esquema general del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón:
Gráfica 17. Vistas laterales y de planta del PFSBR
Fuente: Autores, 2008
La evacuación del agua tratada se realiza a través de un decantador hidráulico que funciona en su totalidad por gravedad, para su construcción se utilizó tubería PVC y un diseño empírico que simula las condiciones de un decantador automático, para el sistema de flotadores se utilizaron pimpones adheridos con pegamento a la flauta horizontal del decantador.
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8. IMPLEMENTACIÓN DEL REACTOR PFSBR Para llevar a cabo los experimentos que dieron cumplimiento a algunos de los objetivos propuestos en el presente proyecto, se necesitó implementar un reactor PFSBR que garantizara un óptimo funcionamiento y los correspondientes equipos auxiliares y ejecutar las actividades de pre-experimentación y experimentación correspondientes. 8.1. PRE-EXPERIMENTACIÓN Para verificar el óptimo funcionamiento del reactor y de los equipos auxiliares se realizaron las siguientes actividades:
Preparación del agua a tratar Inoculación del reactor Aclimatación y arranque
8.1.1 Preparación del agua a tratar. Para llevar a cabo la selección del agua a tratar se hizo necesario realizar una caracterización de la fuente seleccionada de agua residual. Esta fuente fue un pozo de inspección del alcantarillado ubicado en la calle 2 con carrera 11 en la ciudad de Bogotá, en el Barrio la Candelaria. En esta fase se incluyó la recolección de datos in-situ, medidas de flujo, análisis de laboratorio e interpretación y uso de los datos obtenidos. La caracterización se llevó a cabo en 4 muestreos diarios simples, en horarios establecidos debido a la intermitencia del caudal. Se realizó un aforo volumétrico con la ayuda de un cronometro y un recipiente aforado en la tubería principal de la caja de inspección, el cual arrojó un caudal promedio de 0.1 LPS. A continuación se presentan los resultados de la caracterización del agua residual doméstica recolectada.
Tabla 18. Caracterización agua residual doméstica caja de inspección
PARAMETRO AFLUENTE
M1 M2 M3 M4
DQO (mg /l) 1700 250 750 1100 DBO5 (mg /l) 850 120 340 650 SST (mg /l) 320 130 225 250 S. sedimentables (ml /l) 90 30 70 50 SSV (ml / l) 256 97 158 200 Áceites y Grasas (mg /l) 100 300 260 80 Temperatura 17,4 16,4 17,8 17,5 pH (unidades) 6,2 6,3 7,5 7,2
M: muestra Fuente: Autores 2008 Luego de la caracterización realizada, se decidió cambiar la fuente de agua residual doméstica, ya que presentó una gran heterogeneidad en los parámetros
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medidos, además de la intermitencia de flujo que no garantizó la alimentación continua de reactor dificultando la recolección del vertimiento. Es así que a fin de evitar inconsistencias en la toma de datos y garantizar el arranque y estabilización del sistema se optó por cambiar la fuente de alimentación del reactor. Como alternativa se propuso trabajar con AGUA RESIDUAL SINTÉTICA, una solución que simula las condiciones de un agua residual doméstica convencional.
• Agua residual sintética. Como alternativa de alimentación del PFSBR se preparó un agua residual sintética en el laboratorio de Ingeniería Ambiental y Santaria de la Universidad de la Salle, sus componentes se observan en la tabla 19. El agua residual sintética tiene características similares a un agua residual doméstica, esta compuesta por fuentes de nitrógeno, fósforo, carbono, micronutrientes y minerales que arroja una DBO5 promedio de 200 - 260 mg/l.
Tabla 19. Componentes generales del agua residual sintética
Fuente: Adaptado de Standard Methods, 2006
El agua residual se preparó inicialmente en cantidades de 50 litros, a fin de garantizar exactitud en la preparación diaria y no alterar las condiciones requeridas tal como lo indica la gráfica 18.
REACTIVOS FÓRMULA MOLECULAR
CÁLCULO A PREPARAR (gramos)
Acido Glutámico C5H9NO4 15,0000Glucosa C6H206 15,0000
Buffer de fosfato ( Dihidrogeno fosfato de sodio) NaH2PO4.H20 62,7273Cloruro de Amonio NH4Cl 3,8200Sulfato de magnesio MgSO4.4H20 10,1000Cloruro de calcio CaCl2 2,7700Cloruro Férrico FeCl3 0,4840
Solución de elementos traza Sulfato de Magnesio Tetrahidratado MgSO4.4H20 0,0040Acido Bórico H3BO3 0,0057Sulfato de zinc Heptahidratado ZnSO4 0,0043Molibdato de Amonio (NH4)6Mo7O24 0,0035Hierro Quilatado FeCl3 0,0100
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Gráfica 18. Componentes principales del Agua Residual Sintética
Fuente: Autores, 2008
Una vez preparada el agua residual sintética se realizaron 3 caracterizaciones preliminares (tabla 20) para determinar las condiciones del afluente, a continuación se aprecian los resultados:
Tabla 20. Resultados Caracterización Agua Residual Sintética
PARAMETRO AFLUENTE
M1 M2 M3 PromedioDQO (mg /l) 535 542 546 541 DBO5 (mg /l) 250 245 242 246 SST (mg /l) 272 281 274 276 Nitrógeno total (mg /l) 37 29 32 33 Fosforo total (ml / l) 9 7 5 7 Áceites y Grasas (mg /l) 20 30 15 22 Temperatura 17 17 18 17 pH (unidades) 7,0 6,9 6,8 7,0
M: muestra Fuente: Autores 2008 Evidenciando los resultados se determina que las condiciones fisicoquímicas de este afluente son las indicadas para alimentar el reactor. 8.1.2. Inoculación del reactor. El reactor fue inoculado con 25 litros de lodo proveniente de la planta de tratamiento de aguas residuales domésticas del municipio de la Calera (Cundinamarca), donde se tienen eficiencias de remoción de materia orgánica superiores al 85%.
Acido glutamicoGlucosaBuffer fosfatroCloruro de amonioSulfato de magnesioCloruro de calcio Cloruro ferricoElementos traza
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Fotografía 5. Captura del lodo PTAR la calera
Fotografía 6. Inoculación del lodo biológico
Fuente: Autores, 2008 Fuente: Autores, 2008 La elección del lodo biológico radicó en las condiciones ambientales tales como la temperatura (15°C) de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio La Calera y la eficiencia de remoción de materia orgánica (85%), hechos que hicieron suponer la fácil adaptación del lodo al sistema PFSBR. 8.1.3 Aclimatación y arranque. Al ser inoculado el lodo, se brindaron las condiciones necesarias para que la población microbiana se adaptara al nuevo medio, especialmente la temperatura, el pH y el oxígeno disuelto. Para tal fin se realizó un seguimiento diario de dichos parámetros. Para fomentar el crecimiento microbiano se suministraron pequeñas dosis de panela para agilizar el proceso de adaptación y crecimiento, luego de varios días de aclimatación se registró un patrón de crecimiento y como consecuencia los parámetros de control permanecieron dentro de los rangos sugeridos por la literatura, a continuación se suministró el agua residual sintética diluida, incrementando paulatinamente su concentración hasta llegar a los máximos niveles de concentración del afluente. Una vez aclimatado el sistema, se operó el reactor en modo PFSBR convencional y posteriormente en modo SBR. 8.2. EXPERIMENTACIÓN Las actividades realizadas en el estudio se pueden resumir en los siguientes aspectos:
• Estudio de las características hidráulicas del sistema. • Verificación de los requerimientos ambientales y los parámetros de control
del sistema. • Evaluación de la remoción en materia orgánica, en los dos modos de
operación del sistema (sistema PFSBR y SBR convencional).
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8.2.1. Estudio hidrodinámico. En la presente sección del documento se evaluaron las características hidrodinámicas, a partir de la valoración del tiempo de retención hidráulica, el cual se define como el tiempo que permanecen los elementos de un fluido dentro del sistema. El tiempo de residencia se cuantificó a través de la curva de distribución obtenida al medir el cambio en la concentración del fluido a causa de una mezcla trazadora (cloruro de sodio y fluoresceína) que se inyectó instantáneamente al sistema. Para llevar a cabo la evaluación del comportamiento hidrodinámico del reactor FPSBR bajo dos posibles escenarios en forma previa a su arranque, se aplicaron dos metodologías: el modelo simplificado de Wolf-Resnick y el análisis de la curva de tendencia (curva de Gauss) de concentración del trazador. Las mediciones de conductividad se realizaron con un conductimetro en intervalos de 10 minutos en el efluente del sistema. Estas metodologías permitieron describir la influencia de los principales factores sobre el comportamiento hidráulico, como las modificaciones en la geometría del reactor. El hecho que el método descrito permita reportar fracciones o porcentajes de las diferentes características hidráulicas, no lo habilita directamente como herramienta para construir un reactor sin tener en cuenta otros aspectos. Por aquella razón fue conveniente combinar la aplicación tradicional de la metodología Wolf-Resnick, con el análisis de la curva de tendencia con una mezcla trazadora (fluoresceína –NaCl), para determinar los tiempos de retención hidráulica e indicar la trayectoria, para una posterior comparación con datos teóricos y experimentales. Como evaluación adicional se propuso realizar una serie de pruebas experimentales con el INIRIDA DEEP FLOW (IDF)® sistema que mediante un software de análisis ambiental integrado a un hardware portátil, permite modelar parámetros físicos, hidráulicos y de transporte, en tiempo real, de fuentes naturales. Esta es una de las técnicas que mejores resultados ha mostrado, para determinar el flujo de canales artificiales, canales de ríos, reservorios y acuíferos subterráneos. Aunque en plantas de tratamiento de aguas residuales aun no ha sido usado. Esta investigación pretendió evaluar la posibilidad de usar el IDF como una herramienta de modelación de las características hidráulicas del reactor. 8.2.1.1. Ensayo con trazadores. Para el análisis hidrodinámico se realizaron 3 pruebas para cada uno de los escenarios propuestos tal como indica la fotografía 7. Las mediciones de la concentración del trazador se realizaron a la salida de la unidad determinando la conductividad durante tiempos previamente establecidos ya que existe una relación directa entre la concentración del Ion cloruro en el agua y la conductividad. Una de las razones por las cuales se utilizó el parámetro conductividad es debido a sus fáciles y rápidas mediciones en comparación con las del ion cloruro.
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Fotografía 7. A la izquierda el Escenario 1 y a la Derecha Escenario 2 propuesto para el estudio hidrodinámico
Fuente: Autores, 2008
Para la medición se utilizó un multiparametro HI9835 que mide la conductividad en µs/cm, los sólidos disueltos totales TDS (mg/l) y la temperatura en °C. Para realizar las pruebas hidrodinámicas y obtener mejores resultados en la prueba se tuvo en cuenta una serie de características preliminares de operación indicadas en la tabla 21.
Tabla 21. Condiciones preliminares de la prueba con trazadores
CARACTERÍSTICAS PRELIMINARES DE OPERACIÓN PARA LA PRUEBA DE TRAZADORES
1 Se debe garantizar un flujo constante durante la realización del ensayo. 2 El reactor no debe presentar lodos depositados, que produzcan interferencias, por lo cual debe ser
previamente limpiado. 3 El flujo que ingrese a la unidad no se debe mezclar con el de otras unidades. 4 El FPSBR se debe estabilizar para evitar interferencias, dosificando continuamente pequeñas dosis de
trazador por un período de tiempo igual al del ensayo, antes de la evaluación. 5 El uso de altas concentraciones de trazador podría producir corrientes cinéticas por variación de
densidad, lo que proporcionaría resultados erróneos, por lo cual es preferible el uso de bajas concentraciones.
6 Las curvas resultantes del ensayo de trazadores deben tener igualdad de resultados, especialmente en lo relacionado con el tiempo inicial de presentación del trazador y el de máxima concentración, los valores de concentración máxima y las áreas bajo la curva.
7 El trazador se debe aplicar completamente disuelto en agua. Al aplicar parte del trazador en estado sólido induce a error en el ensayo: el trazador demorará en salir de la unidad, pero esta demora no será por la existencia de espacios muertos sino porque al trazador le toma un mayor tiempo disolverse y salir de la unidad.
8 La toma de muestras en la salida del FPSBR se debe prolongar hasta obtener por lo menos tres mediciones consecutivas del valor de la concentración inicial (Co) del trazador.
9 Las mediciones de la concentración del trazador deben ser continuas durante el ensayo. Esta información es útil para conocer las pequeñas variaciones de la conductividad y poder predecir en que momento debe concluir el ensayo.
10 La toma de muestras del efluente de la unidad se debe hacer a la salida del flujo después del sistema de decantación.
Fuente: Autores, 2008 • Elección del trazador. Para visualizar el funcionamiento del reactor desde el punto de vista hidrodinámico, se utilizó una mezcla de dos trazadores que se
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introdujeron en el sistema a fin de estudiar la evolución temporal y/o espacial del proceso físico a través de su detección o medición. Se aplicó a la entrada del reactor y se registró el valor de la concentración del trazador en la salida del sistema. A continuación se enuncian las principales características de cada uno de los trazadores elegidos para la prueba y la razón por la cual se usaron dos trazadores para determinar el comportamiento exacto y detallado del FPSBR: Trazador 1. Cloruro de Sodio, es un trazador medible con facilidad (in situ), económico de fácil consecución en el mercado, debido a sus características fisicoquímicas es fácilmente soluble en agua, además presenta un comportamiento similar al flujo del agua en el reactor y no existe presencia al interior del mismo, muestra un comportamiento casi ideal, no interacciona con el agua y los cloruros son altamente solubles. Trazador 2: Fluoresceína, debido a sus propiedades químicas es fácilmente detectable por el ojo humano, visualiza la trayectoria del flujo a medida que ingresa en el reactor, identificando los diferentes caminos y el comportamiento macroscópico del flujo. No necesita dosis exactas para su dosificación, no altera las concentraciones en el interior del reactor, buena solubilidad al contacto con el agua, al igual que el cloruro de sodio presenta un comportamiento similar al flujo de agua y no se presenta al interior del reactor. Presenta un excelente comportamiento como trazador para pruebas en agua cruda ya que en solución alcalina presenta color verde fosforescente, visible en soluciones diluidas y altamente soluble en agua. Una vez identificados los trazadores se procede a determinar la cantidad de trazador a utilizar en cada prueba. • Cantidad de mezcla trazadora. Para determinar la cantidad de la mezcla trazadora (kg.) detectable con facilidad en el agua se utilizó la siguiente ecuación:
310***
ICoKVP = (11)
Donde: P = Peso del trazador por añadir al reactor, kg V = Volumen útil del reactor, m3 K = Constante de corrección Co = Concentración, mg/L o g/m3 I = Grado de pureza del trazador, fracción de la unidad
81
La constante (K) se determina de la siguiente manera:
65.15.35
5.3523=
+==
pesoClpesodeNaClK (12)
Tomando valores de concentración (Co) para el caso de la fluoresceína y el cloruro de sodio luego de la totalidad de las pruebas piloto se utilizaron 50 mg/l y 30 mg/l respectivamente, reemplazando en la anterior ecuación tenemos: Para el Trazador 1:
3
33
10*90.0/50*65,1*149.0 mgmPNaCl = (13)
gramosPNaCl 65,13=
Para el Trazador 2:
3
33
10*95.0/30*65,1*149.0 mgmPF = (14)
gramosgxPF 776.010763.17 4 == −
Vale la pena recordar que el valor de la concentración inicial de la fluoresceína se determinó como estrategia de control de la concentración únicamente, a fin de evitar posibles alteraciones en las concentraciones de las pruebas correspondientes, ya que su medición requiere un Fluorímetro. El caudal utilizado para las pruebas fue de 4 ml/s, previamente determinado y medido en el reactor, el volumen efectivo de la unidad es de 149 litros, luego el tiempo de retención teórico de duración de la prueba fue:
smlmlt
/4000.149
0 = (15)
horassegt 34.10.372500 == • Aplicación de la mezcla trazadora. Se realizó una dosificación instantánea, a la entrada del reactor con una concentración (Co) determinada de cloruro de sodio al 90% y fluoresceína al 95%. La solución trazadora se disolvió en un volumen de 1000 militros de agua. Y se inyectó en la tubería principal, el caudal fluyó continuamente a través de dos
82
bombas diafragma, se utilizó agua cruda como fuente de alimentación. Para la totalidad de las pruebas dosificando la misma cantidad de mezcla trazadora a fin de mantener constante las condiciones en todas las pruebas.
Fotografía 8. Mezcla de sustancias trazadoras (fluoresceína y NaCl)
Fuente: Autores, 2008
Turner Desing (2006), afirma que para la determinación de la fluoresceína PF (kg/h), se utiliza una dilución de tinte conocida, mas no una concentración exacta, debido a que el objeto de aplicación es la verificación de la trayectoria de la partícula, mas no la medición de datos específicos a través de fluorímetro, sin embargo para el desarrollo de las pruebas se decidió controlar la concentración para tener una mayor inspección del proceso. • Monitoreo del trazador. Para el monitoreo de las pruebas se definió un esquema general en el cual se tomaron muestras a la salida del reactor bajo los dos escenarios propuestos tal como indica la gráfica 19.
Gráfica 19. Características preliminares de las pruebas hidrodinámicas
Fuente: Autores ,2008
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Cada 10 minutos, se tomaron muestras y se midió su conductividad, se obtuvieron los datos incluidos en la tabla 1 del Anexo E. Para completar esta tabla se relacionaron los criterios y operaciones matemáticas de la tabla 22 de la siguiente manera:
Tabla 22. Cálculos para la complementación de la tabla 2 del Anexo E COLUMNA
CRITERIO
OPERACIÓN A REALIZAR
1 Dato experimental 2 Dato experimental 3 T/To 60/619,5 = 0,010
70/619,5 = 0,110 4 Dato experimental 5 C – Co 118,07 - 85,10 = 32,97
117,50 - 85,10 = 32,40 6
∑(C-Co) 425,86 + 32,97 = 458,83 458,83 + 32,40 = 491,23
7 ∑
∑−
×−=
mo
o
CCCCtF )(
100)()( (458,83*100)/1184,09 = 38,75 (491,23*100)/1184.09 = 41,49
8 100- F(t) 100 – 38,75 = 61,25 100 – 41,49 = 58,51
Fuente: Autores, 2008 Una vez realizada la prueba experimental y su correspondiente toma de datos se procede aplicar las dos metodologías para cada uno de los escenarios de la siguiente manera: 8.2.1.2 Estudio hidrodinámico para el escenario 1. Se realizaron 3 pruebas experimentales que consistieron en aplicar una concentración conocida de trazador en el reactor bajo la configuración que indica la fotografía 9.
Fotografía 9. Escenario 1 en la prueba Hidrodinámica
Fuente: Autores, 2008
Se determinó el cambio de la concentración a la salida del sistema registrando los datos en la tabla 1 del anexo E, donde se presentan los resultados de las pruebas realizadas, así como el promedio aritmético elegido para el desarrollo de las
84
metodologías en cuestión. Con estos datos se determinó el tiempo medio de retención del reactor en la prueba, a continuación se presentan en la gráfica 20 las curvas de distribución de la concentración del trazador en el efluente del reactor a lo largo de las 3 pruebas realizadas.
Gráfica 20. Consolidado de las pruebas de variación de la concentración del trazador- escenario 1
Fuente: Autores, 2008
Las curvas resultantes de los ensayos de trazadores para el escenario 1 en el reactor presentan un comportamiento similar aunque la prueba 1 y 3 se evidencian inconsistencias en los tiempos 90,180, 330 y especialmente en el tiempo inicial de presentación del trazador, así como los valores de concentración máxima. Luego de realizar las pruebas correspondientes se determinó que la cantidad de datos obtenidos experimentalmente, describen una tendencia similar, por lo tanto se obtuvo con una curva promedio. En la gráfica se observa que la aplicación de trazador genera una serie de valores de concentración que aumentan con el tiempo hasta llegar a un máximo y luego disminuyen progresivamente, lo que origina una curva de tipo no fickiana, es decir tiene un sesgo. • Aplicación de la metodología de Wolf–Resnick para el escenario 1. El análisis se calculó relacionando los datos de la columna 3 (t/to) y la columna 8 (100-f(t)) de la tabla 2 del anexo E, a través de la gráfica 21 desarrollada con ayuda del asistente para gráficos del programa Excel ®, donde se trabaja en escala aritmético-logarítmico, para obtener la curva de aplicación del método de Wolf y Resnick.
85
Gráfica 21. Aplicación del método de Wolf y Resnick
Fuente: Autores, 2008
A continuación se traza la tangente sobre la parte superior de la curva, donde la pendiente de esta recta es la tan α y su intersección con el valor de 1,0 en las ordenadas, permite calcular el valor de θ (ver Anexo B). Es así como se calculan los siguientes valores: 2,1=θ (16)
0
1
tt
=θ
1,200t
0
1 =t (17) Donde t1/t0=θ
30,9t
0
2 =t (18)
Utilizando la siguiente ecuación se obtiene tan α:
12,0200,13,9
11tan
0
1
0
2=
−=
−=
tt
tt
α
(19)
86
Con la ecuación 31 se calcula el flujo a pistón:
2412,0)12,0*200,1(453,0
12,0*200,1tan+453.0
tan=
+==
αθαθP
(20)
=P 24,12% Por medio de la siguiente ecuación se calculan los espacios muertos:
%02,52412,012,011 =−=−=
Pm θ
(21)
Y el flujo mezclado M será:
PM −=1 (22)
M = 1 – 0.2412 = 0,7588
M = 75,88 % • Análisis por el método de la curva de tendencia. Para complementar la evaluación del comportamiento hidráulico del reactor, se realizó una curva de variación de la concentración del trazador con los datos de las columnas (2) y (5) de la tabla 2 del Anexo E y se elaboró la gráfica 22.
Gráfica 22. Aplicación del método de la curva de tendencia para el escenario 1
Fuente: Autores, 2008
87
Los datos enunciados en la tabla 23 son los principales parámetros para el análisis de la tendencia de la curva, se calcularon a partir de la gráfica 22, con el fin de obtener las relaciones de estos tiempos con el tiempo teórico de residencia y desarrollar un análisis cualitativo detallado de la tendencia de la curva.
Tabla 23. Parámetros principales para el análisis de la curva de la variación del trazador escenario 1 parámetro tiempo (min) CONSECUENCIA ti 90,00 Tiempo inicial desde que se aplica el trazador hasta que aparece en el efluente t10 56,00 Tiempo correspondiente al paso del 10% del trazador tp 150,00 Tiempo modal, correspondiente a la presentación de la máxima concentración tm 266,77 Tiempo mediano, correspondiente al paso del 50% de trazador
to 619,50 Tiempo medio de retención o tiempo teórico de retención = V/Q
t90 504,00 Tiempo correspondiente al paso del 90% del trazador tf 560,00 Tiempo que trascurre hasta que atraviesa la totalidad del trazador al reactor co 85,10 Concentración inicial cp 126,40 Concentración máxima a la salida tb 15,00 Tiempo correspondiente al paso de la décima parte de la concentración máxima tc 75,0 Tiempo correspondiente al paso de la mitad de la concentración máxima
E 0,56 EXISTENCIA FLUJO MEZCLADO Fuente: Autores, 2008
El tiempo mediano (tm), corresponde al paso del 50% de trazador, se obtiene interpolando los siguientes datos de las columnas (2) y (7) de la tabla 2 del anexo E:
Tabla 24. Cálculo del tiempo medio (tm) Tiempo F(t)
260 47,67 270 51,11
Diferencia 10 3,44 X (50-47,67=2,33)
Fuente: Autores, 2008
77,644,3/)10*33,2( ==x (23) Entonces, el valor de tm será:
tm= 260+6,77 = 266,77 min
88
• Índice de Morrill. Los datos de la columna 2 y 7 de la tabla 2 del anexo E (tiempo y fracción del trazador que atraviesa el PFSBR) se grafican en papel de probabilidades logarítmico y se obtiene la gráfica 23 que permite calcular el índice de Morrill.
(24) Indica la existencia tanto de flujo mezclado como de flujo pistón.
Gráfica 23. Índice de Morríll del escenario 1
Fuente: Autores, 2008
• Resultados de la prueba. En el reactor bajo el escenario 1 se produjo un predominio de flujo mezclado (75,88%) donde se presentaron cortocircuitos apreciables, originando un tiempo de retención experimental menor respecto al tiempo de retención teórico de 619,5 minutos. Por consiguiente la totalidad del trazador tardó menos en abandonar el reactor. En la gráfica 22 se observa una cola larga decreciente al final, pero con una tendencia muy lenta a cero, indicando que el tiempo de residencia experimental del reactor es mucho menor que el teórico calculado, debido a factores de flujo que lo alejan de la idealidad como se analizará posteriormente. Otro aspecto importante a considerar es que la concentración máxima de trazador (126,40 mg/l) se obtiene muy rápidamente y mucho antes de cumplirse el tiempo medio de retención teórico, que era lo esperado. Así mismo se puede observar que existen otras concentraciones pico en los 180 minutos y en los 250 minutos, que teóricamente indica la presencia significativa de cortocircuitos tal como se ve reflejado en la tabla 25 donde se muestran los resultados obtenidos del análisis de la curva de tendencia.
89
Tabla 25. Criterios de evaluación a partir del análisis de la curva de variación de la concentración CRITERIO CONSECUENCIA
3.015.05,619
90⟨=→
toti Existencia apreciable de
cortocircuitos
43,050,61977,266
=→totm
Existencia de cortos circuitos
020.05,619
150→=→
totp
Predominio de flujo mezclado
12,05,619
75=→
totc
Predominio de flujo mezclado
02.05,619
15=→
totb
Mezcla ideal
totitptptfe )()( −−−
=
56,05,619
)90150()150560(=
−−−=e
Existencia de flujo mezclado
Fuente: Autores, 2008 Como conclusión principal para estos ensayos, por las razones indicadas se recomienda evitar el diseño de este tipo de reactores con un solo compartimiento, por lo tanto debido a los resultados obtenidos bajo el escenario 1 se propuso modificar el reactor bajo una configuración diferente (escenario 2) para mejorar el comportamiento hidrodinámico del sistema. 8.2.1.3. Estudio hidrodinámico para el escenario 2. Se realizaron dos modificaciones estructurales en la unidad, en primera medida se instaló una pantalla transversal a 25 cm de la entrada principal que divide el reactor y se modificó la posición de la flauta de entrada, a fin de evitar cortos circuitos, en busca de la optimización hidráulica en el sistema PFSBR. Una vez realizadas las modificaciones se llevaron a cabo 3 pruebas, bajo las mismas condiciones del escenario 1, a fin de evaluar las características hidrodinámicas del reactor bajo otra configuración tal como indica la fotografía 10.
Fotografía 10. Escenario 2 en la prueba Hidrodinámica
Fuente: Autores, 2008
90
En la gráfica 24 se presentan las diferentes curvas de la concentración correspondientes al resultado de las pruebas en el escenario 2 que se consignaron en la tabla 3 del anexo E.
Gráfica 24. Ensayo con trazadores curva de variación de la concentración del trazador- escenario 2
Fuente: Autores, 2008
Al aplicar trazadores en el reactor y analizar las muestras de agua tomadas a la salida, se obtuvo una serie de valores de concentración que aumentan con el tiempo hasta llegar a un máximo y luego disminuyen progresivamente, lo que origina una curva gaussiana. Según la gráfica 24 se observa que las pruebas correspondientes presentan un comportamiento uniforme y describen una tendencia definida de la curva de concentraciones, por lo tanto se decide trabajar con una curva promedio para la aplicación de las dos metodologías propuestas. • Aplicación de la metodología de Wolf – Resnick. El análisis por el método de Wolf y Resnick se calculó relacionando los datos de la columna 3 (t/to) y la columna 8 (100-f(t)) de la tabla 4 del anexo E, a través de la gráfica 25 desarrollada con ayuda del asistente para gráficos del programa Excel ®, donde se trabaja en escala aritmético-logarítmico, para obtener la curva de aplicación del método de Wolf y Resnick.
91
Gráfica 25. Aplicación del método Wolf y Resnick
Fuente: Autores, 2008
A continuación se traza la tangente sobre la parte superior de la curva, donde la pendiente de esta recta es la tan α y su intersección con el valor de 1,0 en las ordenadas, permite calcular el valor de θ (ver Anexo B). Es así como se calculan los siguientes valores: 38,0=θ
0,38t
0
1 =t
0,8t
0
2 =t
Utilizando la ecuación 36 tomada del anexo B se obtiene:
38,238,08,0
11tan
0
1
0
2=
−=
−=
tt
tt
α
(25)
Tomando la ecuación 37 se calcula el flujo a pistón:
666,038,2*38,0453,0
38,2*38,0tan+453.0
tan=
+==
αθαθP
(26)
=P 66,6% Por medio de la siguiente ecuación, se calculan los espacios muertos:
92
%2,4666.038,011 =−=−=
Pm θ
(27)
Y el flujo mezclado M será:
PM −=1 (28)
M = 1 – 0,666 = 0.334
M = 33,4 %
• Análisis por el método de la curva de tendencia. Para complementar la evaluación del comportamiento hidráulico del reactor, se realizó la curva de variación de la concentración del trazador con los datos de las columnas (2) y (5) de la tabla 4 del Anexo E y se elaboró la gráfica 26.
Gráfica 26. Aplicación del método de la curva de tendencia para el escenario 2
Fuente: Autores, 2008
Los datos enunciados en la tabla 26 son los principales parámetros para el análisis de la tendencia de la curva registrada en la gráfica 26, con el fin de obtener las relaciones de estos tiempos con el tiempo teórico de residencia y desarrollar un análisis cualitativo detallado de la tendencia de la curva.
93
Tabla 26. Parámetros principales para el análisis de la curva de la variación del trazador escenario Parámetro Tiempo (min) CONSECUENCIA
ti 190,00 Tiempo inicial desde que se aplica el trazador hasta que aparece en el afluente
t10 61,00 Tiempo correspondiente al paso del 10% del trazador
Tp 320,00 Tiempo modal, correspondiente a la presentación de máxima concentración
Tm 331 Tiempo mediano, correspondiente al paso del 50% de trazador
To 619,50 Tiempo medio de retención o tiempo teórico de retención = V/Q
t90 549,00 Tiempo correspondiente al paso del 90% del trazador Tf 610,00 Tiempo que trascurre hasta que atraviesa la totalidad del trazador Co 85,80 Concentración inicial Cp 127,00 Concentración máxima a la salida tb 29,00 Tiempo correspondiente al paso de la décima parte de la concentración máxima tc 145,00 Tiempo correspondiente al paso de la mitad de la concentración máxima
e 0,21 PREDOMINIO DE FLUJO A PISTÓN Fuente: Autores, 2008
El tiempo medio (tm), corresponde al paso del 50% de trazador, y se obtiene interpolando los siguientes datos de las columnas (2) y (7):
Tabla 27. Cálculo de tm (tiempo mediano) Tiempo F(t)
330 49,57 340 54,04
Diferencia 10 4,47 X (50-49,57=0,43)
Fuente: Autores, 2008
96,047,4/)10*43,0( ==x (29) Entonces, el valor de tm será:
tm= 330+0,96= 331 min
• Índice de Morríll. Los datos de la columna 2 y 7 de la tabla 4 del anexo E (tiempo y fracción del trazador que atraviesa el reactor PFSBR) se grafican en papel de probabilidades logarítmico y se obtiene la gráfica 27 que permite calcular el índice de Morríll.
(30)
94
Grafica 27. Índice de Morríll
Fuente: Autores, 2008
El índice de Morríll, indicó que al acumular datos sobre la cantidad de trazador que pasa, expresado en porcentajes y dibujados en papel logarítmico, teniendo escala de probabilidades en las abscisas y escala logarítmica en las ordenadas para diferentes tiempos, se obtiene una línea recta. El índice de Morríll refuerza el criterio de predominio del flujo a pistón. • Resultados de la prueba. En el reactor bajo el escenario 2 se produjo un predominio de flujo pistón (66,6%) donde no se presentaron cortocircuitos apreciables, originando un tiempo de retención experimental (610) con bajo margen de diferencia con respecto al tiempo de retención teórico de 619,5 minutos, lo cual generó como consecuencia un volumen útil del reactor de 90% del calculado, aumentando la eficiencia del sistema. En la gráfica 26 se observa una curva tipo gaussiana definida, indicando que el tiempo de residencia experimental del reactor es similar el tiempo de retención teórico calculado, debido a factores de flujo que lo acercan a la idealidad como se analizará a continuación. Otro aspecto importante a considerar es que la concentración máxima de trazador (320 mg/l) que se obtiene en 310 minutos cercano al tiempo medio de residencia teórico, que era lo esperado. Así mismo se puede observar que existe un único pico de máxima concentración para luego iniciar un descenso paulatino y para los 590 minutos este valor desapareció casi en su totalidad con variaciones mínimas de concentración, que es indicado teóricamente en la tabla 28 donde resalta la inexistencia de cortocircuitos.
95
Tabla 28. Criterios de evaluación a partir del análisis de la curva de variación de la concentración CRITERIO CONSECUENCIA
3.031.05,619
190⟨=→
toti No Existen cortocircuitos
apreciables
53.05,619
331=→
totm
No hay Existencia de cortos circuitos
047,05,619
320→=→
totp
Predominio de flujo a pistón
23,05,619
145=→
totc
Predominio de flujo a pistón
05.05,619
29=→
totb
Mezcla ideal
totitptptfe )()( −−−
=
21,05,619
)190320()320610(=
−−−=e
Existencia de flujo de pistón
Fuente: Autores, 2008
Es pertinente resaltar que las curvas resultantes de los ensayos de trazadores para el escenario 2 en el reactor presentan un mejor comportamiento en comparación al escenario 1, especialmente en lo relacionado con el tiempo inicial de presentación del trazador, la máxima concentración, y la similitud del tiempo de retención hidráulica teórico y experimental. El reactor PFSBR presenta un buen comportamiento hidráulico, lo cual indica que los aspectos técnicos y de modificación estructural utilizados ayudaron a mejorar el comportamiento hidráulico del reactor. En este escenario se presenta un comportamiento similar del fluido donde el flujo sigue amplias o espaciosas líneas de trayectoria con diferentes velocidades absolutas y en direcciones similares. En la zona de pre-reacción se presenta un fenómeno de recirculación interna de caudal, donde la existencia en la fase continua de corrientes de flujo que están en contracorriente de la dirección principal de flujo originando a la formación de flujos de recirculación originando perfiles de velocidad radial. Otro de los aspectos evidenciados en la zona de pre-reacción, es que una vez detectado el trazador, se evidenció que en la corriente principal de flujo se superpuso una corriente de recirculación, que originó un espectro o curva de tiempo de residencia del tipo multimodal (diferentes direcciones), ocasionando una recirculación en el sistema. Una vez sobrepasa la pantalla transversal los efectos de dispersión en el flujo principal son considerables, donde se obtiene un espectro unimodal (camino preferencial) aún en presencia de los efectos de recirculación poco notorios y por lo tanto a simple vista diferenciables. Se puede
96
apreciar un flujo laminar luego de la zona de reacción en el que la velocidad de los elementos dentro del sistema varían en función a su posición respecto al área transversal de flujo. El tiempo de residencia es característico para todos los elementos del fluido que se encuentran en la misma línea de flujo. a través de la fluoresceína se evidenció que los elementos que se mueven en la parte céntrica del sistema (la parte central del flujo transversal) tienen la máxima velocidad y el menor tiempo de residencia, contrario a los elementos que se mueven en las líneas cercanas a las paredes del sistema, debido a la fricción (fuerzas de rozamiento) con la paredes del sistema se mueven lentamente y por lo tanto su permanencia en el sistema aumenta, lo que da lugar a un cambio de la distribución del tiempo al interior del reactor. Como conclusión principal para estos ensayos, por las razones indicadas se recomienda utilizar el diseño de este tipo de reactores con una pantalla de pre-reacción y una configuración de entrada como la propuesta en discusión. 8.2.1.4. Análisis global de resultados. Aunque los efectos macroscópicos como microscópicos están entrelazados de una manera compleja, se consideró estudiar los efectos de dispersión macroscópica en general que están influenciados por la geometría del reactor y no los efectos microscópicos debido a que requieren un seguimiento más detallado.
En general se evidenció que en la totalidad de las pruebas bajo los dos escenarios en el reactor coexisten los dos tipos de flujo (flujo a pistón y flujo mezclado) con bajos porcentajes de cortocircuito para los dos escenarios. Para el escenario 1 predominó el flujo mezclado lo cual es negativo hidráulicamente, ya que en cuanto mas flujo mezclado haya en el reactor, se puede considerar que una fracción mayor de la masa de agua ha sufrido un tratamiento mas corto o mas largo del que se desea, lo que en muchos casos es objetable. Para el escenario 2 se evidenció un mejor comportamiento, ya que su configuración estructural presentó el máximo de flujo a pistón, garantizando que el agua al interior permanezca durante el periodo de retención proyectado. A continuación en la tabla 29 se describen los fenómenos existentes en los dos escenarios.
97
Tabla 29. Tabla de resultados de la evaluación del comportamiento hidrodinámico para el PFSBR
Fuente: Autores, 2008 Este tipo de análisis estuvo sujeto a diversas formas de turbulencia que se desarrollaron en el sistema y al comportamiento de moléculas individuales, en si, al movimiento molecular browniano, ambos de naturaleza fortuita, por lo que el estudio no pretende analizar el comportamiento individual de los elementos del sistema, sino tomar criterios sobre el colectivo de elementos del flujo que en este documento lo hemos llamado efecto macroscópico. Dado que los análisis microscópicos se realizan en volúmenes infinitesimales tal como se indicó anteriormente. Aunque los valores obtenidos son significativos hidráulicamente, no hacen referencia a la eficiencia del reactor, así que el estudio no representa necesariamente el comportamiento en todas las condiciones. Ya que en el reactor ocurren una serie de reacciones químicas y biológicas de gran importancia para la remoción de contaminantes que no fueron tenidos en cuenta al momento de realizar el estudio hidrodinámico. Es así que el estudio no representa necesariamente el comportamiento en todas las condiciones. Además uno de los resultados obtenidos en el análisis se refiere únicamente al momento específico en que se hizo la prueba, y no representa necesariamente el comportamiento en todas las direcciones. 8.2.2 OPERACIÓN DEL REACTOR
Una vez concluido el estudio hidrodinámico se eligió trabajar con el escenario 2 (gráfica 28) ya que presentó un mejor comportamiento hidrodinámico según lo expuesto en el numeral anterior. A continuación se describen las dos configuraciones utilizadas para la comparación y análisis de la remoción de la materia orgánica del sistema.
CRITERIO ESCENARIO 1
ESCENARIO 2
FLUJO A PISTON (%) 24,12 66,6 ZONA MUERTA (%) 5,02 4,2 MEZCLA COMPLETA (%) 75,88 33,4 TIEMPO DE RETENCION EXPERIMENTAL (min) 560 610 TIEMPO DE RETENCION TEORICA (min) 619,5 619,5
98
Gráfica 28. Configuración del FPSBR para el arranque del sistema
Fuente: Autores, 2008
8.2.2.1 Reactor Biológico de Cargas Secuenciales (SBR). Una vez el reactor ofreció las condiciones requeridas de operación del sistema, se operó como un SBR convencional por cochadas durante 4 semanas utilizando el siguiente ciclo de configuración:
Tabla 30. Etapas del ciclo de operación del rector SBR convencional
Fase Duración (horas) Llenado 3
Aireación 7 Sedimentación 12 Decantación 1
Reposo 1 Fuente: Autores, 2008
8.2.2.2 Reactor Biológico de Cargas Secuenciales de Flujo a Pistón (PFSBR). Durante 22 semanas, el reactor trabajó en modo PFSBR; implementando en el interior la pantalla de pre-reacción que lo dividió en dos zonas. La alimentación fue continua, el sistema operó bajo el siguiente ciclo:
Tabla 31. Etapas del ciclo del reactor PFSBR
Fase Duración (horas) Aireación 9
Sedimentación 13 Decantación 2
Fuente: Autores, 2008 Al operar el sistema bajo estas dos configuraciones, se realizaron en el interior del reactor mediciones de pH, temperatura, sólidos disueltos totales y oxígeno
99
disuelto. Así como en el afluente y efluente, mediciones de la DBO5, DQO y SST, para determinar la eficiencia en remoción de materia orgánica. 8.2.3 Pruebas experimentales con el Inirida Deep Flow®
Se realizaron varias pruebas con el IDF, aplicando el método "Dye tracer”, el cual se basa en el vertimiento súbito de una determinada masa de trazador que se mezcla a lo largo del reactor, para luego ser medida por un sensor; el equipo, posteriormente, graficó, en tiempo real, la variación de la concentración del trazador en el efluente del reactor. Debido a la sensibilidad de la sonda del equipo se efectuaron diferentes pruebas a fin de encontrar la concentración óptima del trazador en el reactor, tomando como base de cálculo 1 gramo de trazador por metro cúbico de agua para fuentes naturales.
Tabla 32. Pruebas preliminares de medición
Fuente: Autores, 2008 Luego de varias mediciones experimentales de ensayo y error, en la prueba 6 se logró registrar una curva gaussiana en el IDF, ya que en las pruebas 1, 2 y 3 el equipo no registró datos, para la prueba 4 se registró un aumento en la concentración registrando en el equipo una línea ascendente, pero no se obtuvo la curva, a causa de estos resultados se optó para la prueba 5 y 6 cambiar el caudal de entrada de 2 ml/s a 4 ml/s, ajustar la cantidad de trazador a 6 gramos y se estandarizó la distancia de medición en 1,05 m. A continuación en la tabla 30 se representan los datos básicos y operativos del IDF para la realización de la prueba 6.
N° CANTIDAD TRAZADOR
(gramos)
CAUDAL (ml/s)
TIPO DE DOSIFICACION
ALTURA MEDICION
(m)
DISTANCIA DE MEDICION
(m) 1 0,1 2 Instantánea 0,45 1.052 1,0 2 Instantánea 0,45 1.053 2,0 2 Instantánea 0,45 1.054 6,0 2 Instantánea 0,25 1.055 6,0 4 Instantánea 0,30 1.056 6,0 4 Instantánea 0,45 1.05
100
Tabla 33. Datos básicos y operativos del IDF Datos Básicos Datos Operativos
Masa (M) 6,00 gr. Velocidad media: (Ux) 1.16 x 10-4 m/s Distancia (L) 1.05 m Caudal 1 0.0146 L/s Ancho (W) 0.28 m Caudal 2 0.0285 L/s Numero de vertimientos 1 Fi 0.86 Numero de equipos: 1 Cp (pico de concentración) 129.6 mg/l Pendiente estimada 0.02 T 18823 s Modelamiento bien Ruido Poco Conductividad básica 85 µs-cm Contaminación NO
Fuente: Autores, 2008 Luego de la prueba 6 el equipo (IDF) registró una curva de comportamiento de la conductividad que se representa en la gráfica 29.
Gráfica 29. Comportamiento del trazador a lo largo del proceso de medición
Comportamiento de la conductividad
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Tiempo (seg)
Con
duct
ivid
ad (
us/c
m)
Fuente: Autores, 2008
A partir de la gráfica se realizaron los siguientes cálculos:
• Verificación de la velocidad del flujo:
Se determinó el tiempo que tardó el trazador en reportar su máxima concentración:
∆t0 = 9410 segundos
Al tener que recorrer el fluido una distancia de 1,05 m se tiene que
101
0tLVelocΔ
= (30)
smVeloc
941005,1
=
smVeloc /1016,1 4−×=
• Verificación del caudal
Método 1
hWA ×=
mmA 45,028,0 ×=
2126,0 mA = Con el área y la velocidad se cálculo el caudal
AVQ ×= (31)
)126,0()/1016,1( 24 msmQ ××= −
sLQ /0146,0=
Método 2
16,10 ×Δ××=
tCpMQ
ϕ (32)
Donde: M: Masa del trazador (g) Φ = 0.86 Cp= 22.45 mg/L ∆t0 = tiempo que tarda el trazador en reportar su concentración máxima
16,1941086,0/45,226
×××=
sLmggQ
sLQ /0285,0=
102
Análisis de los datos: 1. Se verificó que no hay “Longitud de mezcla” pues Φ=0.86 (mayor de Φ=0.38) por lo tanto se presume que la medición de caudal no es confiable. 2. Se verificó el valor de caudal por los dos métodos. Q1 = 0.0146 L/s y Q2= 0.0285 L/s por lo tanto NO se valida la medición interna. 3. Se calcula LM:
mL
Lm 34.538.0
86.005.138.0 2
2
2
21 =
×=
×≈
φ
103
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación se presenta el comportamiento de los parámetros medidos a lo largo de las 26 semanas de seguimiento y evaluación del sistema, vale la pena resaltar que este período no contempla las 4 semanas de arranque y aclimatación del mismo. 9.1. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS. Los sistemas de lodos activados, componen el sistema más sofisticado de tratamiento en medio suspendido, pues en la biomasa o medio activo se encuentra altamente concentrado con relación al sustrato, razón por la cual es necesario controlar las condiciones ambientales de manera muy estricta para no provocar alteraciones que desequilibren el proceso. 9.1.1. Condiciones ambientales. Pretende resaltar los parámetros que permitieron describir con mayor exactitud el proceso de adaptación de las bacterias a su nuevo ambiente. Temperatura. Corresponde a la temperatura del agua residual en el reactor en °C, se estimó con objeto de conocer las condiciones reales de operación (temperatura mínima y máxima). El parámetro se midió diariamente al interior del reactor con el equipo Hanna HI 991300 durante el mes junio y posteriormente tres veces por semana en los meses restantes del estudio. En la gráfica 30 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
Gráfica 30. Comportamiento de la temperatura
Fuente: Autores, 2008
104
La tabla 34 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para la temperatura.
Tabla 34. Análisis de la temperatura en el PFSBR TEMPERATURA (°C)
MINIMO: 15,8 PROMEDIO: 16,46 MAXIMO: 17,9 DESV. ESTANDAR: 0,56 VARIANZA. 0,31
Fuente: Autores, 2008 La temperatura de operación del reactor se mantuvo entre los 15,8 y los 17,9 ºC, sin variaciones significativas lo que es clave en el metabolismo de la población microbiana puesto que una variación mayor a 10ºC genera un aumento en las tasas metabólicas según Orozco (2005). Al comparar el rango de temperatura registrado en el sistema con relación a la temperatura óptima de un sistema de lodos activados (25°C a 35°C), propuesto por Metcalf y Eddy (2003), se aprecia que la temperatura al interior del reactor fue más baja, sin embargo el lodo biológico presentó un crecimiento satisfactorio sin inhibición alguna, ocasionado en cierta medida a la procedencia de los lodos inoculados, donde actúan satisfactoriamente a temperaturas entre 14°C y 20°C, lo cual supone que la población microbiana ya se encontraba aclimatada para trabajar a estas temperaturas. La disminución de la temperatura que se registró a partir del dato 14 en la gráfica 30 se alude principalmente a la temporada de lluvias que se presentó a mediados del mes de junio. • pH. Se midió diariamente al interior del reactor con el equipo Hanna HI 991300 durante el mes junio y posteriormente tres veces por semana en los meses restantes del estudio. En la gráfica 31 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema donde se evidencia un comportamiento constante a lo largo de su monitoreo.
105
Grafica 31. Comportamiento del pH
Fuente: Autores, 2008
La tabla 35 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para el pH.
Tabla 35. Análisis del pH en el PFSBR pH
MINIMO: 2,6 PROMEDIO: 7,33 MAXIMO: 7,9 DESV. ESTÁNDAR: 0,66 VARIANZA: 0,43
Fuente: Autores, 2008
El pH en el reactor se mantuvo entre 6.5 y 8, es decir cercano a la neutralidad, lo que permitió el buen desarrollo de la población microbiana. Aunque en la semana dos se cometieron diferentes errores operacionales en el sistema; excesiva alimentación de sustrato y aireación prolongada de más de 24 horas continuas, lo cual generó condiciones de acidez (< 6.5) que ocasionó la aparición de hongos, una pésima sedimentabilidad del lodo y un dañó irremediablemente al mismo, obligando a repetir la inoculación. • Oxígeno disuelto. Se midió diariamente al interior del reactor bajo condiciones aerobias y anóxicas con el equipo Hanna HI 9142 durante el mes junio y posteriormente tres veces por semana en los meses restantes del estudio. En la gráfica 32 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
106
Gráfica 32. Comportamiento de oxigeno disuelto
Fuente: Autores, 2008
La tabla 36 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para el oxígeno disuelto en las dos etapas.
Tabla 36. Análisis del oxígeno disuelto en el PFSBR OXIGENO DISUELTO (mg / l) ETAPA AEROBIA
MINIMO: 1,8 PROMEDIO: 3,0 MAXIMO: 4,8 DESV. ESTANDAR: 0,4 VARIANZA: 0,2
Fuente: Autores, 2008 Con respecto al oxígeno disuelto, para la etapa anóxica se presentó un promedio de 0,9 mg/l y para la etapa aerobia se mantuvo un valor promedio de 3 mg/l dentro del nivel recomendado para cada fase por la literatura consultada (aerobia 2-4 mg/l y anóxica 0,5-1mg/l) Metcalf y Eddy (2003) lo que garantiza el suministro necesario de oxígeno requerido por el sistema para los procesos de oxidación biológica, incluyendo la nitrificación. Sin embargo en los meses de junio y julio no se presentó uniformidad en la aireación debido a problemas de obstrucción en algunos de los difusores; esto obligó a la sustitución de algunos de los componentes del sistema como por ejemplo la implementación de algunos difusores porosos de burbuja fina. Una vez solucionado este inconveniente el comportamiento de estos parámetros a lo largo de la evaluación indicó una buena condición para la formación y desarrollo de la biomasa. La aireación se efectuó homogéneamente a lo largo del sistema inclusive en la zona de pre-reacción y se evidenció que la demanda de oxigeno es constante en todo el reactor, lo mismo que el suministro; por lo cual no se presentaron situaciones de desequilibrio.
OXIGENO DISUELTO (mg / l) ETAPA ANÓXICA
MINIMO: 0,4 PROMEDIO: 0,9 MAXIMO:1,8 DESV. ESTANDAR: 0,3 VARIANZA: 0,1
107
• Sólidos disueltos totales. Los sólidos disueltos totales se midieron diariamente al interior del reactor con el equipo Hanna HI 991300 durante el mes junio y posteriormente tres veces por semana en los meses restantes del estudio en la gráfica 33 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
Gráfica 33. Comportamiento de sólidos disueltos totales
Fuente: Autores, 2008 La tabla 37 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para los sólidos disueltos totales.
Tabla 37. Análisis de Sólidos disueltos Totales en el PFSBR
SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES (mg / l)
MINIMO: 290 PROMEDIO: 819 MAXIMO: 1150 DESV. ESTANDAR: 292,09 VARIANZA: 85317,52
Fuente: Autores, 2008 Los sólidos disueltos totales registraron inicialmente valores cercanos a 290 mg/l y un incremento paulatino hasta lograr un promedio de 819 mg/l a lo largo del proceso, debido al aumento y estabilización de la biomasa. Una vez estabilizado el sistema el parámetro permaneció dentro de un rango de 800 a 1150 mg/l lo cual evidenció que, aunque esta no es una medida gravimétrica, indica el crecimiento del lodo biológico mas no una medida del número de bacterias ni tampoco del peso de las bacterias que efectúan el tratamiento.
108
• Conductividad. La conductividad se midió diariamente al interior del reactor con el equipo Hanna HI 991300 durante el mes junio y posteriormente tres veces por semana en los meses restantes del estudio. En la gráfica 34 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
Gráfica 34. Comportamiento de la conductividad
Fuente: Autores, 2008 La tabla 38 muestra los valores medios, mínimos, máximos la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para la conductividad.
Tabla 38. Análisis de la conductividad en el reactor CONDUCTIVIDAD (us/cm)
MINIMO: 845 PROMEDIO: 1726 MAXIMO: 2300 DESV. ESTANDAR: 486,17 VARIANZA: 236357,29
Fuente: Autores, 2008
La conductividad inicio alrededor de los 1000 µs/cm en el mes de Junio debido a que se alimentó el reactor con una fracción de la concentración total del alimento, posteriormente se fue aumentando paulatinamente la concentración del alimento hasta lograr la estabilización de la población microbiana, durante los primeros días del mes de agosto, se nutrió con la concentración total del alimento, de allí en adelante se estabilizó la conductividad igual que la tasa de crecimiento de la población de microorganismos. Se observa una clara relación entre los parámetros de conductividad y los sólidos disueltos totales ya que este último refleja en promedio el doble de la cantidad de la conductividad.
109
• Nitrógeno y fósforo. El nitrógeno, junto con el fósforo juega un papel importante en la eutroficación; sin embargo, para el presente caso, estos elementos se consideraron por ser fuente de nutrientes, mas no como un indicador de los procesos de nitrificación o desnitrificación, lo cual sería objeto de otra investigación. Estos parámetros fueron medidos a través del método 4500-Norg y 4500-P, descritos detalladamente por Standard Methods (2002), las mediciones se realizaron una vez por mes. En la gráfica 35 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
Gráfica 35. Comportamiento del Nitrógeno y Fosforo
Fuente: Autores, 2008
La tabla 39 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para los nutrientes.
Tabla 39. Análisis de los nutrientes en el PFSBR PARAMETRO MINIMO PROMEDIO MAXIMO
NITROGENO TOTAL (mg/l) 11,3 12,13 13,8 FOSFORO TOTAL (mg/l) 3,6 3,86 4,1
Fuente: Autores, 2008 Los valores, tanto del nitrógeno y del fósforo, permitieron verificar que las necesidades nutricionales de la población microbiana presente en este tipo de tratamiento cumplieron con la relación DBO/N/P de 100/5/1 que es la indicada para un tratamiento biológico aerobio.
110
9.1.2 Parámetros de control. Para que el sistema PFSBR funcione apropiadamente los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado en el reactor deben separarse rápidamente. Una de las condiciones que se puede presentar en el proceso es el bulking1 y por ello la difícil sedimentación del lodo. Ya que para esta situación la concentración del sustrato en el efluente es baja, no hay suficiente alimento para mantener los microorganismos que constituyen el lodo, los microorganismos se ven obligados a respirar en un régimen de respiración endógena. Para evitar dicho comportamiento se hizo necesario medir una serie de parámetros de laboratorio que permitieran conocer el comportamiento de los microorganismos a lo largo de la evaluación del sistema. • Sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado. Los SSVLM de una muestra representan un valor aproximado del contenido de materia orgánica en los sólidos totales de un volumen de agua residual , Orozco (2005). Es una medida que se utilizó para estimar la cantidad de microorganismos presentes en el FPSBR. Este parámetro se determina filtrando un volumen de licor mezclado para después calcinarlo en una mufla a 550ºC, durante media hora. En estas condiciones los sólidos orgánicos se volatilizaron quedando los sólidos fijos. La diferencias entre los SST y los fijos representa el valor de los SSV.
Gráfica 36. Comportamiento de sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado
Fuente: Autores, 2008
La tabla 40 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para los SSVLM. 1 Lodo ligero y disperso que obstaculiza la sedimentación (Lodo inflado) con bajas concentraciones de sustrato en el efluente, provocando un aumento de volumen del lodo y crecimiento de bacterias filamentosas.
111
Tabla 40. Análisis de sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado en el PFSBR SSVLM (mg /l)
MINIMO: 820 PROMEDIO: 2610,24 MAXIMO: 3876 DESV. ESTANDAR: 946,31 VARIANZA: 895494
Fuente: Autores, 2008
Los SSVLM fluctuaron entre 820 y 3876 mg/l, con un promedio de 2610 mg/l. El promedio de este parámetro se encuentra dentro del intervalo indicado para este tipo de procesos de lodos activados, 1500-5000 mg/l, según Metcalf y Eddy (2003). Se debe tener en cuenta que al ser mayor la concentración de SSVLM, mayor serán los rendimientos de eliminación conseguidos, aunque también pueden presentarse problemas de sedimentabilidad del lodo, si el volumen de estos es muy grande, según Barajas (2002). Se observa que una vez estabilizado el sistema, a partir del mes de junio, la población bacteriana aumentó a una tasa mantenida hasta finales del mes de septiembre donde entró a fase estacionaria donde, la población microbiana se mantiene constante, debido a que las células han agotado el sustrato necesario para el crecimiento y a que la generación de nuevas células es compensada con la muerte de células viejas. • Relación alimento/microorganismos. La relación F/M se calculo a partir de la carga contaminante que ingresa al reactor en términos de Kg de DBO5 por cada Kg de sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado que se encuentran al interior del reactor. En la gráfica 37 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
112
Gráfica 37. Comportamiento de la relación F/M
Fuente: Autores, 2008 La tabla 41 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para la relación F/M.
Tabla 41. Análisis de F/M en el PFSBR F/M (Kg DBO5 / Kg SSVLM.dia)
MINIMO: 0,09 PROMEDIO: 0,21 MAXIMO: 0,66 DESV. ESTANDAR: 0,16 VARIANZA: 0,03
Fuente: Autores, 2008
La carga orgánica inicial fue de 0,66 Kg DBO5/Kg SSVLM .día, prevaleciendo una elevada relación al inicio del proceso manifestada en la zona de pre-reacción, con el tiempo este valor disminuyó notablemente hasta alcanzar los 0,2 Kg DBO5/Kg SSVLM .día debido al aumento de la población de microorganismos reflejada en el valor de SSVLM, aproximadamente 3200 mg/L, la carga orgánica se mantuvo cerca a 0,21 Kg DBO5/Kg SSVLM .día. Al comparar con los rangos estipulados en la literatura Metcalf y Eddy (1995), para este tipo de tratamiento, 0,05 a 0,3 Kg DBO5/Kg SSLM .día se evidencia que a partir del dato número 13 el valor de F/M se encuentra dentro del rango óptimo, por tal razón el lodo presenta buenas características de sedimentabilidad, y se clasifica como un lodo flocúlento. • Índice volumétrico de lodos. El IVL es un parámetro utilizado para valorar la sedimentabilidad de los lodos. Representa el volumen en mililitros que ocupa 1 gramo de sólidos en suspensión del licor mezclado después de 30 minutos de sedimentación.
113
Fotografía 11. Mediciones de sólidos Sedimentables
Fuente: Autores, 2008
Para la determinación del IVL se requirió determinar previamente la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el PFSBR. Asimismo, se determinó el volumen ocupado el lodo después de treinta minutos de sedimentación en un ensayo denominado V30. El cual consistió en colocar 1 litro de muestra en una cono imhoff y dejar la muestra en reposo durante 30 minutos, al finalizar este periodo de tiempo se registró el volumen ocupado por el lodo que se sedimentó, el resultado se suministra en ml/g. a través de la siguiente ecuación. IVL(ml/g)= V30(ml/l) / SSVLM. A continuación se presenta la concentración de lodos al interior del reactor en la gráfica 38.
Gráfica 38. Comportamiento del Índice Volumétrico de Lodos (IVL)
Fuente: Autores, 2008 La tabla 42 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para el IVL.
114
Tabla 42. Análisis de IVL en el PFSBR INDICE VOLUMETRICO DE LODOS (mL / g)
MINIMO: 31,03 PROMEDIO: 61,06 MAXIMO: 84,43 DESV. ESTANDAR: 9,71 VARIANZA:94,37
Fuente: Autores, 2008
El IVL obtenido oscilo entre 31,03 y 84,43 ml/g con un promedio de 61,06. Como se puede apreciar, el valor promedio se encuentra dentro del intervalo considerado como optimo para la sedimentabilidad del lodo. Según Ramalho (1996) el valor del IVL solo proporciona una relativa aproximación de las propiedades de la sedimentabilidad del lodo. Dos lodos con el mismo valor de IVL pueden exhibir diferentes propiedades de sedimentabilidad en el lodo debido al proceso de diseño y características del afluente el valor de IVL varia con las características microbiológicas y la concentración de los sólidos suspendidos de licor mezclado (METCALF Y EDDY ,1995). Inicialmente se registraron datos relativamente bajos en el mes de junio debido a la fase de arranque, pero en general a lo largo del proceso se incrementó el IVL hasta 80 y 120 ml/g que según Grady (1999) indica que los lodos están formados por flóculos que contienen una porción equilibrada entre microorganismos filamentosos y no filamentosos, con lo cual el lodo decanta bien. No se registraron valores por encima de 150 ml/g un índice satisfactorio ya que representa la ausencia de organismos filamentosos, que producen una mala sedimentación. • Carga volumétrica. La carga volumétrica se calculó a partir de la carga orgánica por unidad de volumen que recibe diariamente la totalidad de la biomasa en la gráfica 39 se muestran los datos obtenidos durante la operación del sistema.
115
Gráfica 39. Comportamiento de la carga volumétrica
Fuente: Autores, 2008
La tabla 43 muestra el valor medio, la desviación típica y la varianza, obtenidos durante el estudio en el reactor para la carga volumétrica.
Tabla 42. Análisis de carga volumétrica PFSBR
CARGA VOLUMETRICA (Kg/m3.dia)
MINIMO: 0,311 PROMEDIO: 0,363 MAXIMO: 0,403 DESV. ESTANDAR: 0,023 VARIANZA: 0,001
Fuente: Autores, 2008
Las mediciones conservan el valor citado en tabla 9, en donde se afirma que la carga volumétrica debe tener un promedio menor 0,4 Kg/m3.dia. Esto significa que el reactor, a lo largo de todo su funcionamiento fue capaz de asimilar la materia orgánica entrante dentro del volumen de diseño concebido y lograr su degradación conforme a los parámetros de una aireación extendida. 9.1.3 Correlación de parámetros. A continuación se presentan diferentes diagramas de dispersión, para observar el posible grado de relación entre los parámetros, más representativos, evaluados en el estudio.
116
• F/M Vs Eficiencia en remoción de materia orgánica.
Gráfica 40. Correlación de F/M vs Remoción de materia orgánica F/M Vs. Eficiencia de remocion
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
F/M (Kg DBO/Kg SSLM.dia)
% R
emoc
ion
Fuente: Autores, 2008
Se presentó una correlación entre F/M y el % de eficiencia en remoción de materia orgánica, en términos de la DBO, cuanto menor es la relación F/M mayor es la eficiencia para remover materia orgánica del sistema. En la gráfica 40 se observa que para el rango de 0.1 – 0.15 Kg DBO/Kg SSLM.dia, se presentan eficiencias mayores al 80%, lo cual es típico de un sistema de aireación extendida.
• IVL Vs Eficiencia en remoción de materia orgánica
Gráfica 41. Correlación de IVL vs Remoción de materia orgánica
IVL Vs Eficiencia de remocion
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00
IVL (mL/g)
% R
emoc
ion
Fuente: Autores, 2008
Se presentó una correlación entre el IVL y el porcentaje de eficiencia de remoción de materia orgánica, en términos de la DBO, se observa que para en los rangos de 55 – 70 mL/g se presentan eficiencias superiores al 80%.
117
• F/M Vs IVL
Gráfica 42. Correlación de la F/M vs IVL F/M Vs IVL
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
F/M ( Kg DBO/Kg SSLM.dia)
IVL(
mL/
g)
Fuente: Autores, 2008
Se observó que la mayoría de pares de datos se sitúan entre los rangos, 0.1 – 0.2 Kg DBO/Kg SSLM.dia para F/M y 55 – 70 para IVL, lo que indica que el lodo presentan características satisfactorias de sedimentación. (Grady et al., 1999)
• SSLM Vs. Ssed
Gráfica 43. Correlación de SSLM y Sólidos Sedimentables
SSLM Vs Ssed
0
50
100
150
200
250
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
SSLM (mg/L)
Ssed
(mL/
L)
Fuente: Autores, 2008
Se presentó una correlación entre los SSLM y los Ssed, cuanto mayor es la concentración de los SSLM mayor es la cantidad de sólidos que se sedimentan.
118
9.2. EFICIENCIA EN REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA 9.2.1. DBO. Para la medición de este parámetro se utilizó el set para DBO VELP, este se compone de un sensor DBO, una botella ambar de 500ml, un reservorio de absorción de anhídrido carbónico y una barra magnética. Para determinar la DBO5 se vierte un volumen determinado de muestra en la botella, se agregó la solución nutriente a la muestra, se adicionó hidróxido de potasio (KOH) en los contenedores, se programó el sensor de acuerdo a la escala necesaria, se tapa la botella herméticamente y se pone a incubar a 20°C durante 5 días; como lo indica la gráfica 44.
Gráfica 44. Método Velp utilizado para la medición de la DBO
Fuente: Autores, 2007
Los microorganismos presentes en la muestra de agua con contenido de sustancia orgánica biodegradable, consumen oxígeno para su actividad metabólica produciendo el volumen equivalente de anhídrido carbónico. como esta técnica opera en un sistema cerrado haciendo absorber el anhídrido carbónico producido por una sustancia altamente alcalina, se obtiene una disminución progresiva de la presión del gas, medible oportunamente con manómetros. La tabla 44 muestra los valores medios, las desviaciones típicas e intervalos obtenidos durante el estudio en el afluente y el efluente para la DBO5, además presenta los valores medios de los rendimientos de reducción del parámetro.
Tabla 43 Análisis de la DBO en el interior del reactor. AFLUENTE (mg/L) EFLUENTE (mg/L) RENDIMIENTO (%)
Desv. Estándar
Media Rango Desv. estándar
Media Rango Media Rango
18 263 212 - 297 54 59 5 - 176 78 33 – 98 Fuente: Autores, 2008
119
• Evolución temporal de DBO5. La gráfica 45 presenta la evolución de la DBO5 en el afluente y el efluente del reactor durante los dos modos de operación, SBR convencional y PFSBR. Como se observa, el valor de la DBO5 del afluente siempre se mantuvo alrededor de los 263 mg /L, debido a que el sistema se alimentó con la misma agua residual sintética. A diferencia, se observa que el valor de la DBO5 del efluente, al momento de trabajar el sistema como un SBR convencional, decreció levemente; pero a partir del inicio del mes de julio, cuando el sistema trabajó como un PFSBR, el valor decreció significativamente.
Gráfica 45. Comportamiento de la demanda bioquímica de oxígeno
Fuente: Autores, 2008
La gráfica 46 muestra la eficiencia de remoción de la DBO5, donde se aprecia que en el tiempo que el sistema trabajó como SBR convencional, la remoción fluctuó entre el 32% y el 58%, pero posteriormente, cuando el sistema trabajó como un PFSBR, la eficiencia aumentó en forma considerable, hasta llegar en las últimas semanas del estudio al 98%.
120
Gráfica 46. Eficiencia de remoción de la DBO
Eficiencia de remocion DBO
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 5 10 15 20 25 30 35
Cantidad de datos
% R
emoc
ion
Fuente: Autores, 2008
9.2.2 DQO. Este análisis se realizó utilizando dosis exactas de reactivo R1 y R2 previamente preparado para un rango de medición de DQO 1500 mg/l. Este es un método normalizado que utiliza equipos de gran precisión para su respectiva medición tal como lo indica la fotografía 12. La determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua se realiza por oxidación con dicromato de potasio / ácido sulfúrico a 148 °C durante dos horas con catalizador de plata. Si se utilizan diferentes concentraciones de cromato pueden cubrirse diferentes rangos de medida. Para DQO 40/160/300 se mide la disminución del color amarillo del dicromato, para DQO 1500/15000 se evalúa el color verde de los iones de cromo (III) formados. Si el contenido en cloruro es superior a 1500 mg/l deberá diluirse la muestra con agua libre de DQO o con el agente complejante de cloruros. Las concentraciones menores de cloruro se enmascaran por acción del mercurio II sulfato presente en los tubos.
121
Fotografía 12. De izquierda a derecha: Celda DQO, Equipo de medición de DQO, Nanocolor primer plano
Fuente: Autores, 2008
En el análisis se registraron datos de entrada y salida del SBR convencional durante 4 semanas y el tiempo restante se registraron datos del sistema funcionando como un PFSBR para una posterior comparación. La tabla 45 muestra los valores medios, las desviaciones típicas e intervalos obtenidos durante el estudio en el afluente y efluente para DQO, además también presenta los valores medios de los rendimientos de remoción del parámetro.
Tabla 44. Análisis de la DQO en el PFSBR AFLUENTE (mg/L) EFLUENTE (mg/L) RENDIMIENTO (%)
Desv. Estándar
Media Rango Desv. Estandar
Media Rango Media Rango
13 582 554 - 599 116 127 15 - 396 78 31 – 97 Fuente: Autores, 2008
• Evolución temporal de la DQO. La gráfica 47 muestra el comportamiento general de la demanda química de oxígeno a lo largo de todo el estudio, se aprecia que la DQO del afluente tuvo un comportamiento estable, con un valor de 582 mg/l, debido a que el reactor se alimentó con la misma agua residual sintética, sin embargo sobresalen tres fluctuaciones significativas, que posiblemente se deben a errores cometidos en la medición del parámetro. En cambio en la DQO del efluente, se observa una disminución leve, al trabajar el reactor como un SBR convencional que posteriormente, al trabajar como un PFSBR, se torna considerable.
122
Gráfica 47. Comportamiento de la demanda química de oxigeno
Fuente: Autores, 2008 La gráfica 48 muestra la eficiencia de remoción para la DQO, donde inicialmente fluctuó entre el 22% y el 60% y al trabajar como un PFSBR, aumentó constantemente hasta lograr eficiencias del 97%.
Gráfica 48. Eficiencia de remoción de la DQO
Eficiencia de remoción DQO
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 5 10 15 20 25 30 35
Cantidad de datos
% R
emoc
ion
Fuente: Autores, 2008
123
9.2.3 SST. Los sólidos suspendidos totales de las muestras analizadas, se determinaron de la siguiente forma. Se filtra un volumen conocido de muestra, suficientemente homogenizada y representativa, por un filtro de fibra de vidrio Whatman GF/C de 47 mm de diámetro, previamente lavado, secado y pesado.
Ilustración 1. Medición en laboratorio de sólidos suspendidos totales
Fuente: Autores, 2007
Posteriormente el filtro se introduce al horno a 105 ºC por una hora, luego se lleva a un desecador por otra hora y una vez ha disminuido su temperatura vuelve y se pesa el filtro. Metcalf & Eddy (1991) se recomienda tener en cuenta que el diámetro mínimo de los sólidos en suspensión es de 1 µm; los poros de los filtros Whatman tienen un diámetro de 0.7 µm. La tabla 46 muestra los valores medios, las desviaciones típicas e intervalos obtenidos durante el estudio en el afluente y efluente para SST, además también presenta los valores medios de los rendimientos de remoción del parámetro.
Tabla 45. Análisis de sólidos suspendidos totales en el PFSBR AFLUENTE (mg/L) EFLUENTE (mg/L) RENDIMIENTO (%)
Desv. Estándar
Media Rango Desv. Estándar
Media Rango Media Rango
15 276 246 - 312 19 59 22 - 92 81 65 – 92 Fuente: Autores, 2008
• Evolución temporal de SST. La gráfica 49 muestra el comportamiento de los SST, se observa que la concentración de los SST del afluente osciló entre 246 y 312 mg/L, con una media de 276 mg/L, mientras que en el efluente fluctuó entre 22 y 92 mg/L, con una media de 59 mg/L. Como se puede observar el valor de los SST en el afluente no presento fluctuaciones a lo largo del estudio, en cuanto al valor en el efluente se aprecia un decrecimiento muy leve a lo largo del estudio.
124
Gráfica 49.Comportamiento de los sólidos suspendidos totales
Fuente: Autores, 2008
La gráfica 50 muestra la eficiencia de remoción de SST, se observa que alcanzó niveles superiores al 80%, trabajando como PFSBR lo que indica una eficiente sedimentación del lodo y una alimentación continua del sistema, no interrumpe la sedimentación del licor mezclado en las diferentes fases del tratamiento. A partir de estos resultados se observa que el valor medio de la eficiencia de remoción de SST cumple con lo exigido por el decreto 1594 de 1984, es decir, se logró sobrepasar el 80% de remoción que exige la norma.
Gráfica 50. Eficiencia de remoción de Sólidos suspendidos totales
Eficiencia de remocion SST
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 5 10 15 20 25 30 35
Cantidad de datos
% R
emoc
ion
Fuente: Autores, 2008
125
10 ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS
SECUENCIALES DE FLUJO A PISTÓN A ESCALA REAL Con el fin de evaluar las ventajas y desventajas de la implementación y operación a escala real de un PFSBR, se realizó un análisis de los procesos teniendo en cuenta la relación costo-beneficio que genera su inversión inicial, operación y mantenimiento, así como otros parámetros no cuantificables monetariamente que son de vital importancia a la hora de seleccionar un sistema de tratamiento. A continuación se pretende ilustrar un escalonamiento del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón a escala de laboratorio; comparándolo con un sistema convencional de lodos activados, analizando los costos, ventajas y desventajas. En este caso se trata de evaluar monetariamente todos los costos y beneficios asociados a cada opción, durante el período de vida del proyecto y considerando el concepto de costo del dinero a través del tiempo. De este modo es posible seleccionar aquella opción que provee el mayor beneficio económico y que por tanto es la opción eficiente para la asignación de recursos. 10.1 DISEÑO DE UN REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE FLUJO A PISTÓN A ESCALA REAL De acuerdo a los parámetros de diseño utilizados en la investigación se diseño un reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón a escala real, para llevar a cabo el análisis técnico económico satisfactoriamente y se comparo con un sistema convencional de lodos activados, una de las técnicas de tratamiento biológico mas utilizados en el país. Las consideraciones tenidas en cuenta fueron: la fuente de agua residual domestica con un caudal de 1,4 LPS que en su interior contiene una carga contaminante medida en DB05 de 300 mg/l, DQO de 600 mg/l y SST de 190 mg/l. Otros de los valores registrados en el afluente fueron el fósforo total 8 mg/l y nitrógeno total de Kjeldahl 50 mg/l. A continuación se presentan los parámetros más importantes para el diseño del PFSBR en la tabla 46.
126
Tabla 46. Parámetros de diseño del FPSBR a escala real PARÁMETRO SÍMBOLO VALOR UNIDAD RELACIÓN ALIMENTO /MICROORGANISMOS F/M 0.05-0.30 Kg DBO/Kg
SSVLM.día SÓLIDOS SUSPENDIDOS VOLÁTILES DE LICOR MEZCLADO
SSVLM 1500-5000 mg/l
TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO TRH 12-50 Horas CARGA VOLUMÉTRICA CV 0,08 -0.24 Kg DBO/m3.día ALFA α 0.5-0.8 N.A. EDAD DEL LODO EL 12-30 Días OXÍGENO DISUELTO OD 2- 4 mg/l
Fuente: Autores, 2008
El PFSBR fue diseñado bajo el mismo esquema expuesto en el reactor a escala piloto (las memorias de cálculo del diseño se muestran en el anexo J) en la tabla 44 se resaltan las características generales del sistema PFSBR, para la alternativa 2 se cotizó una planta compacta que utiliza un sistema convencional de lodos activados ya que este es el sistema biológico más utilizado en el país durante los últimos años. En la tabla 47 se presentan las principales características del sistema.
Tabla 47. Características generales del PFSBR a escala real ALTERNATIVA 1: REACTOR BIOLÓGICO DE CARGAS SECUENCIALES DE FLUJO A PISTON PFSBR
MATERIAL
Acero Estructural ASTM A-36
TUBERIAS
Tuberías de 2” de diámetro de acero bridadas clase 50
EXTENSIÓN DE
TERRENO 48 m2
EFLUENTE DBO < 10mg/l SST 10mg/l Ntotal 1 mg/l Ptotal 1 mg/l
PERSONAL
1 operario únicamente durante 3 horas /día
TIEMPO DE RETENCIÓN
24 horas
CAUDAL 1,4 LPS
DIMENSIONES Largo: 15:00 m Ancho: 3,20 m Altura: 3,30 m
COMPONENTES Y
EQUIPOS
La planta cuenta con un SISTEMA DE AIREACIÓN para trabajo continuo a través de membranas de disco de 10HP succión y caudal de 180 SCFM, compuesto por un manifold, tubería, válvulas de bola, unión universal, 50 difusores de membrana con un Caudal de aire 1,4 diámetro de conexión ¾” y eficiencia de transferencia de oxígeno de 50,9% SOPLADORES DE AIRE centrifuga tipo paquetes con equipo auxiliar y un ventilador, DECANTADOR de acero inoxidable con mecanismo de transmisión de energía con un actuador electromecánico con interruptores de limite, soporte de de montaje y conexiones, BOMBA DE DIAFRAGMA para retirar el exceso de lodo de 0,1 m3/d, CONTROL DE OXÍGENO DISUELTO compuesto por un D.O., la sonda y el trasmisor que trasmite el nivel de OD al PLC, controla el aireador, PANEL DE CONTROL ELÉCTRICO, con el circuito principal, cableado interfaz de operador de terminales, interruptores, luces controladoras, motores en el sistema ESCALERAS Y PASADIZOS DE SERVICIO en acero inoxidable e INSTALACIONES ELECTROMECANICAS pertinentes.
SERVICIOS ADICIONALES
Manuales de operación, mantenimiento REQUIERE UNA CASETA montaje, supervisión y puesta en marcha
POBLACIÓN BENEFICIADA: 1000 personas SERVICIOS PÚBLICOS: Agua potable y energía Fuente: Autores, 2008
127
Tabla 48. Características generales de la unidad convencional de lodos activados ALTERNATIVA 2: PLANTA COMPACTA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS
MATERIAL Acero Estructural
ASTM A-36
TUBERIAS
Tuberías de 2” de diámetro de acero bridadas clase 50
EXTENSIÓN DE
TERRENO 53,76 m2
EFLUENTE DBO 36 mg/l SST 50mg/l Ntotal 4 mg/l Ptotal 5 mg/l
PERSONAL
1 operario las 24 horas del día
TIEMPO DE RETENCIÓN
24 horas
CAUDAL 1,4 LPS
DIMENSIONES Largo: 16,80 m Ancho: 3,20 m Altura: 3,30 m
COMPONENTES Y
EQUIPOS
TANQUE DE PRE-TRATAMIENTO, SOPLADORES DE AIRE para trabajo continuo RAI 36, 10HP succión y caudal de 180 SCFM, SISTEMA DE DIFUSIÓN DE AIRE, compuesto por un manifold, tubería, válvulas de bola, unión universal, 50 difusores de burbuja Caudal de aire 1,8 SCFM, diámetro de conexión ¾” y eficiencia de transferencia de oxígeno (24,9%), SEDIMENTADOR de dos cámaras troncopiramidales, AIRLIFTS con un diámetro de entrada de aire de ¼ ” con una capacidad de 0,2 m3/h y caudal de aire de cfm, DIGESTOR DE LODOS de 18m3, con una bomba centrífuga de 1 HP, BOMBA DE RECIRCULACIÓN DE LODOS con caudal de 10 m3/h y altura dinámica total de 15m eficiencia 60% potencia absorbida 0,9 HP, CÁMARA DE DESINFECCIÓN modelo 1000 VERTEDERO DE SALIDA de 2” y 3 LECHOS DE SECADO DE LODO en concreto que trataran el exceso de lodo de 0,4 m3/d en un tiempo de 10 días con sistema de drenaje de PVC perforada de 4” de diámetro, ESCALERAS Y PASADIZOS DE SERVICIO en acero, BOMBAS SUMERGIBLES modelo de equipo DLV 806, caudal 2 lps potencia 1,5 HP, TABLERO DE CONTROL E INSTALACIONES ELECTROMECÁNICAS.
SERVICIOS ADICIONALES
Manuales de operación y mantenimiento REQUIERE UNA CASETA Montaje supervisión y puesta en marcha
POBLACIÓN BENEFICIADA: 1000 personas SERVICIOS PÚBLICOS: Agua potable y energía Fuente: Autores, 2008
10.2 COMPARACIÓN ECONÓMICA DEL PFSBR CON RESPECTO A UN SISTEMA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS La evaluación económica permitió seleccionar la mejor alternativa de sistema de tratamiento con base al criterio de valor anual neto (VAN); seleccionando aquella opción de sistema de tratamiento que proporcionó los mayores beneficios netos actualizados. Los dos sistemas evaluados son una planta compacta para el tratamiento de aguas residuales domésticas que utiliza un sistema convencional de lodos activados y una planta compacta de tratamiento de aguas residuales domésticas que utiliza el sistema PFSBR. 10.2.1 Costos de inversión del sistema FPSBR frente al sistema convencional de lodos activados. El costo de inversión y operación considera la suma del capital fijo más el capital de trabajo. El capital fijo es el costo requerido para la construcción de la planta de tratamiento, igual a la suma de los costos directos más los indirectos. El costo directo es igual a la suma de los costos de materiales y mano de obra para construir la planta de tratamiento lo cual llega a
128
representar entre un 80 a 85% del capital fijo. Los costos indirectos involucran aspectos como la ingeniería y supervisión, gastos que apoyen la construcción como la adquisición de equipos temporales, construcción de casetas provisionales para el personal, etc. Teniendo en cuenta que el sistema preliminar es el mismo en los dos sistemas, el análisis de los costos de inversión únicamente consideró los valores del reactor general incluyendo sus equipos auxiliares y el área requerida, sin tener en cuenta el costo del tratamiento preliminar, ya que el anexo de esta variable no altera ni disminuye la evaluación económica. Los costos del sistema convencional de lodos activados se cotizaron en una empresa proveedora de sistemas de purificación de aguas en la ciudad de Bogotá, Colombia, sumando a este valor los costos adicionales no contemplados en ella. Para el PFSBR se cotizaron de manera individual cada uno de los equipos y elementos requeridos que se mencionan en la tabla 47. A continuación se presenta un cuadro consolidado en la tabla 49 que resume el análisis comparativo de costos de inversión de los dos sistemas.
Tabla 49. Comparación de costos totales de inversión
Fuente: Autores, 2008
Los costos de inversión del sistema convencional de lodos activados superan en un 3% a los del sistema PFSBR para el caudal analizado. Esta diferencia corresponde al uso de una mayor área utilizada en el sistema convencional de lodos activados, por la cantidad de tanques utilizados para su funcionamiento. 10.2.2. Comparación de los costos de operación y mantenimiento del PFSBR con respecto a un sistema convencional de lodos activados. En la actualidad se debe hacer énfasis especial en este rubro, si se toma en cuenta la frecuente escasez de recursos económicos para mantener en operación un sistema de tratamiento que casi siempre es considerado como una carga para el usuario y por cuyo mantenimiento no se obtiene aparentemente ningún beneficio económico directo. Debe ser incluso un criterio de decisión más importante que el costo de la inversión inicial, ya que en el corto plazo un sistema de operación, por arriba de la capacidad de pago del usuario, será despreciado.
129
Este criterio involucró el análisis de los siguientes conceptos: Costo de la energía: Se tienen en cuenta los procesos de bajo consumo energético, potencia total instalada en la planta, así como la potencia requerida para su operación, servicios públicos. Los requerimientos de energía son criterios fundamentales en la evaluación de un proceso de tratamiento de aguas residuales, pues impactan de manera directa los costos de operación de la planta. Para estimar el valor de la energía eléctrica se identificaron los datos históricos de consumo 2000-2007 ( ver anexo H. Proyecciones del valor de la tarifa de consumo de energía eléctrica en Colombia) realizando proyecciones hasta 2018. Para realizar este ITEM se tomó base de cálculo el año 2008 y de acuerdo a la tarifa de la empresa prestadora del servicio de energía CODENSA.
Gastos administrativos y de personal: Se relaciona directamente con la necesidad de recursos económicos y de organización para operar la planta de tratamiento, donde se tiene en cuenta el personal técnico para la operación de la planta y el personal calificado de evaluación y control del proceso. Los sistemas no cuentan con una operación compleja, así que no requiere un nivel de organización mayor. Los gastos de personal se determinaron identificando la serie histórica de los salarios mínimos legales vigentes y proyectando hacia al año 2018 ( ver anexo G).
Costo de refacciones y material de mantenimiento: Debido a que el
proceso incluye equipos de operación y alto grado de instrumentación los sistemas tuvieron una necesidad de mantenimiento del sistema y por lo tanto se realizaron dos revisiones anuales y se contemplaron costos adicionales de reparación en caso dado.
El análisis de los costos de operación y mantenimiento se realizaron para un horizonte de 10 años, en el cual se tuvo en cuenta los costos en valor presente de los insumos, la energía eléctrica, el valor de inflación del 4.5% de acuerdo a la tendencia mostrada por el Banco de la República de Colombia para el año 2008, Otro de los valores tenidos en cuenta fue la tasa de depreciación de maquinaria para 10 años (vida útil de los equipos). En la tabla 51 se muestran los costos totales de operación y mantenimiento para los dos sistemas.
130
Tabla 50. Comparación de costos de operación y mantenimiento del PFSBR con respecto a un sistema de lodos activados CONCEPTO
SISTEMA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS
SISTEMA PFSBR
Cantidad anual (2008)
(miles $)
Valor 5 años
(miles de $)
Valor 10 años
(miles de $ )
Cantidad anual (2008)
(miles $)
Valor 5 años
(miles de $)
Valor 10 años
(miles de $ )
Operarios 1661,4 2135,5 2605,3 837,0 1043,0 1299,8 Asistencia Técnica 70,0 87,2 108,7 70,0 87,2 108,7 Mantenimiento 27295,0 34014,5 42388,3 26919,0 33546,2 41804,1 Ahorro tasas retributivas SST
501,3 624,7 778,5 501,3 624,7 778,5
Ahorro tasas retributivas DBO
2270 3452,8 3524,2 2.270 3452,8 3524,2
Energía eléctrica 95567,1 119094,0 148412,9 94019,5 117165,4 146009,4
TOTAL 127.363,9 159.408,7 197.817,9 124.616,8 155.919,3 193.524,7 Fuente: Autores, 2008
El sistema PFSBR supone un costo menor al 10% con respecto al sistema convencional, lo que se traduce en un monto adicional de alrededor de $2´747.100 de pesos para el primer año, para el quinto año de operación y mantenimiento corresponde aproximadamente a un costo adicional de $ 3´489,400 y para el décimo año un costo de $ 4´293,200. Lo cual generaría un ahorro significativo a lo largo del tiempo. 10.3 ANÁLISIS BENEFICIO/COSTO DEL PFSBR CON RESPECTO A UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS Este análisis se realizó con el fin de evaluar cual de las dos alternativas desde el punto de vista económico tiene mejor viabilidad, ya que el sistema PFSBR presenta una mejor eficiencia de remoción DBO5 y SST. Los beneficios del ahorro equivalen a la exención del pago de las tasas retributivas ya que la diferencia entre los beneficios económicos son nulos en las dos alternativas se realizó el análisis costo/beneficio de manera independiente.
Desarrollando la ecuación 45 y desplazando todos los datos al año uno (1) para determinar el valor presente, de ingresos y costos se obtiene el siguiente resultado.
131
Tabla 51. Comparación de relación costo/beneficio de los dos sistemas de tratamiento de aguas residuales
Fuente: Autores, 2008
Para los dos sistemas el valor indica que los costos superan los beneficios sin embargo este resultado no indica que tengan que ser descartadas las alternativas, por el contrario según la teoría podemos determinar que no todas las veces la relación RB/C debe tener un valor mayor a 1 para que sea benéfica. Para este caso específico la implementación de una planta de tratamiento de aguas residuales es inminente ya que su descarte puede desencadenar en problemas de salubridad a la comunidad y contaminación de fuentes hídricas cercanas es por eso que los beneficios económicos del proyecto se miden de forma indirecta. La relación RB/C para el sistema de lodos activados ofrece un valor circunstancialmente superior, por lo que se puede afirmar que la alternativa PFSBR tiene una mejor viabilidad económica, teniendo en cuenta que aunque los costos de inversión son similares, los costos operativos a un espacio de 5 y 10 años son significativamente menores. Así mismo, se elaboró el flujo de caja económico con información de ingresos y gastos a lo largo de un periodo de vida proyectado a los 10 primeros años del proyecto. En base al cual se desarrollaron los indicadores de rentabilidad. En este caso se calculo el valor actual neto (VAN), y la tasa de retorno tal como lo indica el anexo I. Evaluación cualitativa de los sistemas. Con el fin de evaluar los aspectos cualitativos de los dos sistemas para tener una visión global de los resultados, se realiza una comparación de las alternativas más relevantes en los sistemas. Para dicha tarea se evaluó una matriz de evaluación de beneficio con un criterio de evaluación enunciado en la tabla 53.
Tabla 52 Criterio de calificación para la matriz costo/beneficio VALOR SIGNIFICADO
0 No ofrece ningún beneficio 1 Ofrece muy pocos beneficios 2 Ofrece pocos beneficios 3 Beneficios ofrecidos aceptables 4 Beneficios ofrecidos buenos 5 Beneficios ofrecidos excelentes
Fuente: Autores, 2008 De acuerdo a la tabla anterior se jerarquizaron los beneficios para cada una de las alternativas, obteniendo los siguientes resultados:
132
Tabla 53. Matriz de comparación sistema FPSBR vs Sistema convencional de lodos activados
ITEM PFSBR
SISTEMA LODOS ACTIVADOS
OBSERVACIONES
Inversión
inicial
4
4
La inversión inicial del PFSBR es menor debido a que utiliza una menor cantidad de equipos, no necesita clarificadores primarios y secundarios y que desarrolla la totalidad de sus procesos en un solo tanque.
Costos de operación
3
2
El sistema PFSBR debido a su menor cantidad de unidades y equipos presenta una instalación mas rápida y económica, este sistema requiere un operario únicamente 3 horas al día a diferencia del sistema convencional (24h) lo cual reduce los costos, realiza la remoción de nutrientes sin costos químicos.
Necesidad de Recirculación
de lodos
5
2
El sistema PFSBR no requiere recirculación de lodo, eliminando los costos de capital asociados y las necesidades de energía de sus equipos, además produce una baja cantidad de lodo en comparación al sistema convencional de lodos activados.
Facilidad de operación
5
3
Los tiempos de operación de un sistema PFSBR están controlados automáticamente, a través de un microprocesador, su diseño es flexible y fácilmente ampliable
Eficiencia
4
3
El PFSBR presentó una eficiencia por encima del 90% de remoción de materia orgánica a diferencia del sistema convencional que presenta eficiencias de 80%.
Confiabilidad
4
4
Ambos sistemas están automatizados, presentan buena confiabilidad debido a la existencia de operarios que controlan el proceso.
Espacios requeridos
4
3
El PFSBR requiere una menor área, debido a la inexistencia de un lecho de secado, clarificador primario y secundario.
Promedio 4,14 3,01 Fuente: Autores, 2008
Los resultados de la evaluación indican que el sistema PFSBR presenta mayor viabilidad técnico económica, aunque las dos alternativas presentan similitudes en algunos aspectos, sin embargo la alternativa del sistema PFSBR presenta una mayor eficiencia de remoción de materia orgánica, ocupa menores áreas para su instalación, así como sus ventajas en cuanto a los costos de operación del sistema, aspecto que resulta preponderante a largo plazo para la operación del sistema a medida que trascurre el tiempo, otro de los aspectos evidenciados es que la alternativa del PFSBR supone la utilización de un único reactor y resalta la inexistencia de un lecho de secado lo cual a primera mano supone un ahorro de gastos de inversión con respecto al sistema convencional. En cuanto al personal técnico capacitado para control del proceso el sistema convencional necesita un operario las 24 horas mientras el sistema PFSBR propone un operario que visite la planta 3 horas únicamente para la supervisión del sistema. Dado que este reactor PFSBR es una unidad de tratamiento modular completa, es posible simplemente instalar en paralelo varias de estas unidades modulares
133
mantenidas independientemente, para aumentar la capacidad total del sistema prolongando su funcionamiento a medida que aumenta el caudal a tratar. Otra de las ventajas técnicas es que a diferencia de los sistemas convencionales, el sistema PFSBR usa un decantador de acero inoxidable patentado, funciona también con un dispositivo de protección contra desbordamientos. No requiere válvulas de efluente, juntas flexibles, dispositivos de reducción de la sección de paso o soportes de deshidratación. Todos los procesos, desde la aireación hasta la sedimentación y la decantación, se realizan en un mismo reactor. El llenado y la decantación se llevan a cabo simultáneamente, lo que aumenta la capacidad de flujo en un 25% o más, en comparación con los sistemas convencionales.
Tabla 54. Comparación de costos totales de inversión
Fuente: Autores, 2008
La tabla 55 indica que los costos de inversión del PFSBR se reducen casi un 8% para el caudal analizado. Esta diferencia corresponde a los aspectos enunciados con anterioridad. Bajo los parámetros asumidos en el análisis y comparación del sistema PFSBR resulta que este es un sistema ideal para ser usado en municipios pequeños, medianos y grandes urbes o grandes usuarios comerciales que cuentan con espacio prudente para tratar su vertimientos que no deseen tener un funcionario de tiempo completo dedicado al funcionamiento de la planta, en tal caso la ponderación del espacio, los costos de inversión, la facilidad de operación y confiabilidad seria mayor, además de la reducción de costos seria ostensible a medida que trascurren el tiempo de funcionamiento de la planta. Los controles por microprocesador pueden reducir sustancialmente la necesidad de mano de obra. Con el fin de corroborar la selección se decide realizar una matriz FODA evaluando los principales aspectos de las alternativas elegidas. Implementación matriz FODA. En la matriz adjunta en la tabla 55 se consignan las principales razones por las que se considera importante la propuesta de implementación del sistemas, especialmente si esta constituye a juicio de los investigadores, la mejor opción con respecto aun sistema convencional.
134
Tabla 55. Análisis de la Matriz FODA del sistema PFSBR FORTALEZAS OPORTUNIDADES
• Se realiza la totalidad del proceso en un único tanque.
• Mayor eficiencia en los procesos de remoción de materia orgánica.
• Reducción de los gastos de operación. • Menor espacio utilizado en su implementación. • Ahorro en costos de inversión y tasas retributivas. • Pueden ser monitoreado a través de un computador
con acceso a internet por sistemas SCADA. • Mezcla tecnologías SBR y sistemas de lodos
activados. • Incorpora un sistema de pre-reacción que
incorpora importantes ventajas frente a otros sistemas.
• Mayores Ingresos económicos. • Mejora al ambiente de las comunidades. • Condiciones económicas de los demandantes del
servicio. • Menor riesgo de contaminación de cuerpos de agua. • Mayor disponibilidad de agua. • Mejora las condiciones de salud de la población. • Implementación en países de América latina. • No existen plantas de este tipo construidas en
Latinoamérica. Lo cual indica un mercado prometedor en la región.
• Mayor cobertura y sostenibilidad del tratamiento de aguas residuales.
DEBILIDADES AMENAZAS
• Aumento en costos de mantenimiento de sistemas automatizados y del decantador.
• No existen plantas de este tipo construidas en el país, para realizar una evaluación de su comportamiento a escala real.
• No es apto para regiones donde se presenten temperaturas < 12°C.
• Se presentan altos costos de implementación del sistema de aireación.
• Incidencia de enfermedades entre los usuarios directos y los consumidores.
• Contaminación de agua y suelos. • No existe difusión de nuevas tecnologías en el
campo de la depuración de aguas residuales domesticas e industriales.
• El seguimiento y control a los municipios y entidades privadas es lapso por parte de las autoridades ambientales.
• Poca cultura de preservación del ambiente • Deterioro de ambientes en los que se realiza la
disposición final. Fuente: Autores, 2008
Según esta análisis FODA, podemos apreciar que el sistema PFSBR es una alternativa viable para el tratamiento de aguas residuales domésticas en nuestro país.
135
CONCLUSIONES
Para finalizar este trabajo presentamos aquellas conclusiones que, en el desarrollo de la investigación, su posterior ordenamiento y redacción, han suscitado un especial interés. También se contempla un resumen de las líneas de investigación que pueden quedar, abiertas al grupo de investigación que, de forma generosa, desinteresada y rigurosa ha colaborado con los autores, o a otro grupo que interesado en las posibilidades de desarrollo y puesta en práctica de este tipo de sistemas pueda avanzar en alguna de las cuestiones que han ido surgiendo y que, por no ser fundamentales para sus objetivos o por constituir ampliaciones al mismo que hubieran alargado indefinidamente su realización, han quedado abiertas. • Se diseño, construyó e implementó un reactor biológico de cargas
secuenciales de flujo a pistón (PFSBR) que trato aguas residuales sintéticas, operó de manera satisfactoria durante 26 semanas, de las cuales 22 semanas trabajó como un PFSBR obteniendo una remoción de DBO5, DQO y SST, del 98%, 97% y 81% consecutivamente, y 4 semanas como un SBR convencional, alcanzando porcentajes de remoción de DBO5, DQO y SST del 83, 80 y 75% de remoción, respectivamente
• El agua residual sintética resultó ser una fuente de alimentación apropiada
para estudios a escala de laboratorio, ya que permite garantizar una rápida adaptación y un óptimo desarrollo de los microorganismos
• En general, la sedimentabilidad del lodo fue óptima, puesto que el valor medio
de IVL presento un valor promedio de 61.06 mL/g, lo cual indica que las bacterias filamentosas no proliferaron evitando la aparición del “bulking”.
• Se evaluó el comportamiento hidrodinámico del reactor bajo dos escenarios,
aplicando el modelo simplificado de Wolf y Resnick y el análisis de la curva de tendencia del trazador. Para el escenario 1 las características hidrodinámicas fueron: TRH experimental (560min), porcentaje de flujo a pistón (24.12), porcentaje de mezcla completa (75.88), porcentaje de zonas muertas (5.02). Para el escenario 2 las características hidrodinámicas fueron: TRH experimental (610 min), porcentaje de flujo a pistón (66.6), porcentaje de mezcla completa (33.4), porcentaje de zonas muertas (4.2) evidenciando que este último escenario presentó un mejor comportamiento hidrodinámico a lo largo de las pruebas realizadas.
136
• Se demostró que la inclusión de una pantalla de selección, aparte de mejorar el comportamiento hidrodinámico del sistema, agrega una zona de pre-reacción que limita la proliferación de bacterias filamentosas, retiene grasas no emulsionadas y homogeniza el caudal, todas estas características que mejoran el comportamiento general del sistema a lo largo de su evaluación.
• El reactor presentó mejor comportamiento, trabajando bajo el escenario 2,
puesto que el tiempo que le toma al trazador a travesar el reactor (610 min) es cercano al tiempo de retención teórico asumido (619,5 min); por ende el tipo de flujo que predominó fue un flujo a pistón, lo que garantiza que el agua residual se trate durante el periodo de retención proyectado, por otro lado se presentaron un mínimo de zonas muertas, lo que indica el máximo provecho del volumen efectivo del reactor.
• Aunque las características obtenidas en el estudio hidrodinámico son valiosas
para conocer el comportamiento general del sistema, no son suficientes para determinar su eficiencia de la unidad, puesto que en el ocurren una serie de reacciones químicas y biológicas de gran importancia, que no se tuvieron en cuenta al momento de realizar el estudio hidrodinámico. Es así que el estudio no representa necesariamente el comportamiento del sistema en todas las condiciones.
• Se realizaron diagramas de dispersión para correlacionar diferentes
parámetros de control, encontrando claras relaciones (% remoción de DBO Vs F/M, % remoción de DBO Vs IVL, F/M Vs IVL, SSLM Vs S.Sed.) que permitieron corroborar que los datos obtenidos a nivel experimental se encontraban dentro del rango sugerido por la bibliografía consultada.
• Se verificó, a nivel experimental, que los parámetros asumidos para el diseño
del reactor, F/M, SSLM, TRH y carga volumétrica, fueron los correctos, puesto que se alcanzó altas eficiencias en la remoción materia orgánica.
• El sistema de aireación representó aproximadamente el 70% de los costos de
energía de un sistema convencional de lodos activados. El sistema PFSBR reduce este valor hasta en un 20%, gracias a la eficacia de los difusores.
• EL PFSBR permitió la remoción de la materia orgánica con un único reactor a
diferencia de un sistema SBR convencional que necesita mínimo dos tanques para su funcionamiento con flujo continuo, otra de las ventajas del sistema PFSBR es su facilidad para ampliar la capacidad del caudal a tratar añadiendo varios reactores en paralelo.
137
• El sistema de decantación presentó un adecuado funcionamiento, evitando arrastre de sólidos y formación de fuerzas ascendentes que pudiesen perturbar el agua clarificada.
• Los resultados de este estudio permitieron confirmar que el comportamiento
hidrodinámico del sistema se aleja notablemente de un patrón de flujo ideal. Los resultados obtenidos hasta el momento dejan ver la posibilidad de lograr una reducción importante en los tiempos de retención hidráulica, sin detrimiento de su eficiencia de remoción.
• Se presentó una alta eficacia y durabilidad de los difusores de burbuja fina,
donde la aireación fue uniforme y esencialmente libre de problemas. No se hizo necesario instalar y mantener chorros a presión, bandejas de elevación, tuberías y controles de recirculación de lodos.
• Se evidenció que el sistema PFSBR puede realizar la totalidad de sus
procesos de manera cíclica y continua en un mismo tanque a diferencia de los sistemas convencionales que necesitan tanques suplementarios, lo cual permite suprimir estas unidades logrando significativos ahorros en materia de dinero y espacio.
• Aunque la investigación en este tipo de reactores en América Latina apenas
comienza, los resultados obtenidos permiten suponer la potencialidad como una alternativa eficiente para el tratamiento de las aguas residuales domésticas puesto que ofrece alta eficiencia para remover materia orgánica, demanda menor terreno para su instalación y reduce los costos de operación y mantenimiento.
• Los resultados de la evaluación técnica y económica indican que el sistema PFSBR presenta mayor viabilidad, aunque las dos alternativas presentan similitudes en algunos aspectos, el sistema PFSBR supone un costo menor del 10% con respecto al sistema convencional y la relación RB/C para el sistema de lodos activados ofrece un valor circunstancialmente superior.
138
RECOMENDACIONES • Se recomienda usar un dispositivo de corriente ininterrumpida (UPS) para
evitar alteraciones cuando falle el suministro de electricidad y un tanque de alimentación de mayor capacidad o una fuente de alimentación continúa, debido a que el sistema puede fallar cuando él tanque de almacenamiento se vacíe y/o cuando existan fallas en la corriente eléctrica.
• Es necesario implementar en el sistema, sensores en línea que permitan recolectar los datos más representativos de una forma mas fácil y precisa; además de la instalación de un PLC (programmable logic control) que controle el sistema de manera automática y establezca los diferentes ciclos de operación permitiendo la manipulación automática de este.
• Se recomienda modelar el comportamiento hidrodinámico del reactor a partir
de la aplicación de un software estandarizado, como por ejemplo el FEM4EQ (Finite Element Methods For Environmental Quality) desarrollado en la Universidad del Norte, para convalidar los resultados obtenidos en la metodología aplicada en este trabajo.
• En el momento de utilizar tan solo sustancias fluorescentes en la prueba hidrodinámica de trazadores, es imprescindible contar con un fluorímetro que mida la disminución de la concentración de este a través del tiempo, con el fin de disminuir el rango de error y obtener datos experimentales mas precisos.
• Determinar las constantes cinéticas de la biomasa para diferentes concentraciones de sustrato y diferentes tiempos de retención hidráulica. A fin de determinar la velocidad a la cual los microorganismos degradan un residuo especifico y por lo tanto suministrar la información básica necesaria para dimensionar el tamaño apropiado del reactor PFSBR.
• Con el fin de optimizar el proceso de remoción biológica de nutrientes se recomienda realizar un estudio donde se determinen los ciclos de operación del sistema bajo condiciones normales y extremas de funcionamiento.
• Es recomendable estudiar la relación que se presenta, entre la dinámica de flujo y la cinética de transformación de contaminantes, ya que el conocimiento de estas variables permiten obtener parámetros claves de diseño para la unidad, más acordes con respecto a las condiciones reales de operación.
139
• Aunque ya esta demostrado que el sistema presenta altas eficiencias de remoción de materia orgánica con agua residual sintética, aún falta determinar el comportamiento del reactor con alimentación de agua residual doméstica e industrial a fin de comparar y corroborar los resultados obtenidos en este trabajo.
• Desarrollar un estudio presuntivo de microorganismos que permitan conocer
las colonias de microorganismos existentes en el sistema. Ya que es importante anotar que en el análisis precedente sólo se consideró una población sencilla de microorganismos y la mayoría de los procesos de tratamiento biológico se componen de poblaciones mixtas, complejas e interrelacionadas, en donde cada microorganismo del sistema tiene su propio comportamiento y curva de crecimiento.
• Es necesario desarrollar un estudio que evalué la remoción biológica de
nutrientes, nitrógeno y fósforo, a fin de determinar ciclos óptimos de operación del sistema para el tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales.
140
BIBLIOGRAFÍA
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144
ANEXO A. MEMORIAS DE CÁLCULO DEL PFSBR
Tabla 1.Características del afluente PARAMETROS GENERALES DEL ARS VALOR UNIDAD
pH 7 U de pH
DBO5in 246 mg/l
DQOin 541 mg/l
SST 276 mg/l
SSV 80 mg/l
Ntotal 33 mg/l
Ptotal 7 mg/l Temperatura 17 °C
Conductividad 650 µs/cm Fuente: Autores, 2007
Tabla 2. Dimensiones del reactor DIMENSION VALOR UNIDAD
LARGO 1,18 m ANCHO 0,28 m ALTURA 0,45 m
Fuente: Autores, 2007
314868.045.028.018.1
mVolumenmmmVolumen
=
××=
El caudal de diseño, se cálculo a partir del tiempo de retención hidráulico asumido para el reactor:
hTRH 24=
hmCaudal
2414868.0 3
=
hmCaudal /10195.6 33−×=
hLCaudal /195.6=
145
Tabla 3. Características del funcionamiento del reactor Número de ciclos 1 Ciclos/día Duración del ciclo 24 Horas Profundidad mínima del agua 0.15 m Profundidad media 0.30 m Profundidad máxima 0.l45 m Fuente: Autores, 2007
Tabla 4.Cargas contaminantes
PARAMETRO CONCENTRACIÓN (mg/L)
CARGA CONTAMINANTE
(Kg/día) DQO 541 0,08
DBO5 246 0,04 SST 276 0,04
Fuente: Autores, 2007
1. CÁLCULO DE TIEMPO DE AIREACIÓN Se calcula el tiempo de aireación de acuerdo a los parámetros asumidos:
PARAMETRO VALOR UNIDAD
F/M 0,1 Kg DBO5 / Kg SSLM.dia SSLM 3500 mg/L
Fuente: Autores, 2007
CaudalVolumenTa =
SSLMMFCcVolumen×
=/
35 /5.3)./1.0(
/04.0mKgdiaKgSSLMKgDBO
diaKgVolumen×
=
310.0 mVolumen =
3
3
11000
/195.610.0
mL
hLmTa ×=
hTa 14.16=
146
2. CÁLCULO DEL SISTEMA DE AIREACIÓN
• Oxígeno requerido El oxígeno necesario para oxigenar el reactor se calculó bajo la modalidad de aireación extendida, por presentar mayor eficiencia, para esto los parámetros se deben encontrar dentro de los siguientes valores:
PROCESO Carga Orgánica Kg DBO5/Kg
SSLM.dia
TRH horas
Edad del lodo Dias
Carga Volúmetrica
Kg DBO5/m3.dia
SSLM Kg/m3
Aireación extendida
0,05 – 0,3 >18 12 - 30 < 0,4 3 - 6
Uno de los parámetros a tener en cuenta para la utilización de la aireación extendida, es la carga volumétrica (Cv), dada por la relación entre carga entrante al reactor (Cc) y el volumen del mismo. Teniendo en cuenta lo anterior, la carga volumétrica será:
VolumenCcCv /= 3
5 14868.0/)/04.0( mdiaKgDBOCv = diamKgDBOCv 3
5 /27.0= Durante el tratamiento, se presencia una serie de procesos metabólicos y de asimilación de compuestos, empezando con la generación de nuevo material celular (producción de biomasa) y respiración del sustrato. Este primer proceso es importante debido a que en un tratamiento aerobio se debe garantizar una concentración suficiente de oxígeno disuelto para llevar a cabo la degradación de la materia orgánica. La ecuación característica del proceso es:
8(CH2O) + NH3+3O2 → C5H7NO2 + 3CO2 + 6H2O+E La ecuación utilizada para calcular el consumo de oxígeno necesario para la respiración del sustrato (O2s) es:
LEasO ××= )100/(2 Donde, a: Kg O2/Kg DBO, requerido para oxidar el carbono orgánico
147
L: carga que ingresa al reactor Kg DBO5/día E: Eficiencia de remoción
diaKgDBOsO /04.0%9556.0 52 ××=
diaKgOsO /0195.0 22 = El segundo proceso que se presenta es la auto-oxidación del material celular para abastecer a microorganismos vivos y realizar la respiración endógena. Este proceso se representa por la siguiente ecuación:
C5H7NO2 + 502 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + E La ecuación que permite conocer el consumo de oxígeno de este proceso es:
VMKreeO ××=2 Donde, Kre: tasa de respiración endógena M:SSLM (Kg/m3) V: volumen del reactor El valor de Kre (tasa de respiración endógena, que depende de la carga de lodos) a utilizar será igual a 0.1 Kg O2/Kg MLSS-día. Reemplazando en la ecuación, se obtiene:
332 148.0/5.31.0 mmKgSSLMeO ××=
diaKgeO /0462.02 = El tercer proceso de consumo de oxígeno lo realiza la estabilización completa y reducción de nitrógeno. Es en este proceso que se produce la nitrificación bajo condiciones ambientales apropiadas, y se expresa por medio de la siguiente ecuación:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
Para determinar la relación de oxígeno por cantidad de nitrógeno se debe utilizar la siguiente ecuación:
148
oxLNNO ×= 57.42
exox NlLNHLN −= +4
Donde, Nlex: nitrógeno en lodo en exceso LNox: carga de nitrógeno que se va a oxidar LNH4
+: carga de amonio De esta manera se obtiene:
diaKgLNox /006.0= diaKgNO /006.057.42 ×=
diaKgNO /0282.02 = Consumo total de oxígeno:
NOeOsOTO 2222 ++= diaKgOTO /094.0 22 =
hKgOTO /1092.3 23
2−×=
• Capacidad de transferencia de oxígeno del soplador Se define como la capacidad de oxigenación estándar (COE) como la velocidad del soplador en la transferencia de oxígeno, medida en condiciones estándar (20°C y 1atm) , sobre agua limpia con concentración inicial de OD de 0.0 mg/l.
SL CaKVCOE ××= Donde, V: Volumen del reactor KLa: 0.96/h
lmglCOE /2.996.0148 ××=
hkgCOE /10307.1 3−×=
149
Para determinar la capacidad de oxigenación real (COR), se utiliza la siguiente fórmula:
20024.1 −×⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −×××= TLSW
CsCC
FCOECOR α
Donde, α: Velocidad relativa de transferencia de oxígeno referida al agua limpia. Valores entra 0.68 y 0.94 β: Factor de saturación del oxígeno referida al agua limpia. Normalmente varía entre 0.8 y 1.0 CS: Concentración de saturación del oxígeno disuelto en condiciones estándar
(9.2 mg/l) CL: Concentración de oxígeno disuelto en agua residual. Se debe mantener una
concentración mínima de oxígeno de 2.0 mg/l CSW: Concentración de saturación del oxígeno a las condiciones de presión y
temperatura del sitio donde se encuentra el reactor CSW = β*CS F: Factor de obstrucción por difusores finos. Se recomienda utilizar un valor de 0.8 T: Temperatura del líquido
20153 024.1/2.9
/2)/2.995.0()10307.1(85.0 −− ×⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −××××=
lmglmglmgCOR
hKgOCOR /10023.7 2
4−×= 3. Cálculo del decantador: Se tiene una altura efectiva de 0.45 m en el reactor y según Metcalf y Eddy (1995) la altura de decantación es:
5/hLd =
150
Donde h=0.45m
mLd 09.0= La longitud del brazo del decantador (Bd) es:
º60/ senLdBd =
mBd 104.0=
• Volumen de agua a decantar
ALLdVd ××=
mmmVd 28.018.109.0 ××=
3029.0 mVd =
LVd 7.29=
• Caudal de decantación:
TdVdQd /=
hLQdhLQd
/85.142/7.29
==
• Producción de lodos
LEbLsPI ×××= 100/)(2.1 23.0
Donde Ls: carga másica Eb: eficiencia de remoción L: carga entrante al reactor Así, la producción de lodos determinada será:
diaKgPI /04.0100/95)1.0(2.1 23.0 ×××= diaKgSSLMPI /105.2 2−×=
151
ANEXO B. FUNDAMENTO MATEMÁTICO DEL MODELO SIMPLIFICADO DE LA TEORÍA WOLF-RESNICK
Supóngase el caso de un reactor que tenga un volumen de agua (V), al cual se le aplica una cantidad (P) de una sustancia química (trazador), la cual se disuelve y mezcla completamente en toda la masa de agua. En este caso, la concentración de esa sustancia en el volumen (V) será Co = P/V. Si en ese reactor se introduce el flujo Q en el tiempo (t = 0) y toda el agua que entra se mezcla completa e instantáneamente con el agua que había en el reactor, al medir la concentración de dicha sustancia a la salida de dicho reactor, se encontrará que la concentración (C) va disminuyendo progresivamente a través del tiempo.
Gráfica 1. Reactor de flujo mezclado
Fuente: Pérez, 1992
Por lo tanto, aceptando que esta es una reacción de primer orden, se puede hacer un balance de masas, considerando lo que entra y lo que sale del tanque. Así, la cantidad que entra es:
VQCC
VPC =→= 00
Como
000 ,
tCC
QVt ==
152
Y la cantidad que sale es:
Por lo tanto, Integrando, para C entre Co y C, y t entre 0 y t, el primer y segundo término se obtiene:
O sea:
Y por lo tanto:
Donde: C: la concentración que permanece el reactor en el tiempo Co: la concentración aplicada en el tiempo t=0 Se obtienen curvas similares a las presentadas en la gráfica 2 para
A partir de este punto, la concentración siempre decrece y por eso dC/dt tiene signo negativo. Para un reactor con flujo mezclado, se obtiene la curva (M = 0), y para flujo de pistón, la curva paralela al eje de las abscisas (M = ∞).
153
Gráfica 2. Variación de la concentración versus el tiempo de retención
Fuente: Pérez, 1992 En el gráfica 2 se presentan las características hidráulicas para diferentes unidades de tratamiento de agua. Esto significa que si se tiene una serie infinita de reactores para el tiempo t/to = 1, toda la sustancia que se hubiera agregado instantáneamente al reactor saldría también instantáneamente y nada saldría antes de t/to =1. A esta condición se la llama flujo de pistón, que podríamos definir como “aquel que existe cuando las láminas líquidas de espesor (dl) que entran al reactor se desplazan paralelas a sí mismas y perpendicularmente en el sentido del flujo, sin mezclarse”.
Tabla 1. Características hidráulicas de unidades de tratamiento de agua
Fuente: Pérez, 1992
Por contraposición, el flujo totalmente mezclado es “aquel que existe cuando la composición del efluente en cualquier instante es idéntica a la de toda la masa líquida”.
154
Sin embargo, el flujo de pistón y el flujo mezclado son dos casos extremos ideales que en la práctica rara vez ocurren en las plantas de tratamiento. Por lo general, coexisten los dos tipos de flujo (pistón y mezclado), pues el número de reactores colocados en serie es limitado (uno a seis), existe mezcla de flujo entre las distintas cámaras y, por lo tanto, parte del flujo sale antes que to y parte después que to.
Gráfica 3. Reactores en serie
Teoría simplificada de Wolf y Resnick Es evidente que cuando no hay espacios muertos, la fracción de flujo de pistón (p) y la fracción de no pistón (1-P) debe ser igual a la unidad: Flujo de pistón + flujo de no pistón = 1
P + (1 - P) = 1 (8) Cuando hay espacios muertos, si m es la fracción del volumen considerado como espacio muerto, la fracción que no tiene espacios muertos será igual a (1- m) y por lo tanto: Flujo de pistón + flujo de no pistón + espacios muertos = 1
[p (1 − m)] + [(1 − p) (1 − m)] + m = 1 (9)
155
Ahora bien, en la siguiente ecuación se estableció que el flujo perfectamente mezclado es igual a:
0
0
tt
eCC −
=
Si se considera que en el reactor se presenta una combinación de flujos de pistón y mezclado, la ecuación anterior se transforma en:
0
0
)(.
0
tpttpt
eCC −
−−
=
Donde pto es el tiempo de retención correspondiente a flujo de pistón y (1-p) es el volumen de mezcla perfecta. Reordenando y simplificando, tenemos:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
−−
=P
tt
ptt
eCC 0)(
0
Si se considera que el sistema, además, tiene espacios muertos, habría que introducir en la última ecuación el término (1-m) para considerar la fracción efectiva de flujo con mezcla perfecta. Luego, tendríamos:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
−−−
=)1(
))((
0
0mP
tt
mtptt
eCC
La fracción de la totalidad del trazador que ha salido del reactor será:
0
)(CCtF =
Reemplazando el valor de C/CO, se obtiene:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
−−−
−=)1(
))(( 01)(mP
tt
mtptt
etF Reordenando términos y tomando los logaritmos de ambos términos, se llega a:
[ ] ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
−−−=− )1(
)1)(1()(1
0mP
tt
mpLogetFLog
Que corresponde a la ecuación de una línea recta (figura 2-8), cuya pendiente está dada por:
Multiplicando y dividiendo para p y sustituyendo el valor de Log e = 0,435, se obtiene:
156
Lo que hace:
θ = p (1 - m) Reemplazando en la ecuación (17) y reordenando, tenemos:
De la ecuación (17) se puede deducir que el volumen de espacios muertos será igual a:
y el flujo mezclado M será igual a:
M = 1 – p
Gráfica 4. Curva de 1-F(t) Cantidad de trazador que permanece en el reactor
Fuente: Pérez, 1992
Los valores de las incógnitas θ y tan α se obtienen al trazar la curva de Log1-F (t) Vs t/t0(gráfica 4), donde:
157
Ha sido práctica común establecer la eficiencia hidráulica de un reactor analizando la tendencia de la curva de concentración del trazador y relacionar sus diferentes parámetros con condiciones de flujo. Al aplicar trazadores a un reactor y analizar varias muestras a la salida, se obtiene una serie de valores de concentración que aumentan con el tiempo hasta llegar a un máximo y luego disminuyen progresivamente, lo que origina una curva tal como se indica en la siguiente gráfica 5.
Gráfica 5. Concentración del trazador en el efluente de un reactor
Fuente: Pérez, 1992 Existen los siguientes parámetros principales: ti = Tiempo inicial desde que se aplica el trazador hasta que aparece en el efluente. t10 = Tiempo correspondiente al paso del 10% de la cantidad total del trazador tp = Tiempo modal, correspondiente a la presentación de la máxima concentración. tm = Tiempo mediano, correspondiente al paso del 50% de la cantidad del trazador. t o = Tiempo medio de retención o tiempo teórico de retención = V/Q. t90 = Tiempo correspondiente al paso del 90% de la cantidad total del trazador. tf = Tiempo que transcurre hasta que atraviesa la totalidad del trazador al reactor. Co = Concentración inicial. Cp = Concentración máxima a la salida
158
ANEXO C. CRITERIOS DE EVALUACIÓN A PARTIR DEL ANÁLISIS DE LA CURVA DE TENDENCIA DEL TRAZADOR
(Aplicados para la construcción de la Tabla 24 y 27, ver numeral 8.2.2)
a) Mide los cortocircuitos grandes. Es igual a 1 para flujo de pistón y a 0 para el flujo mezclado Si el valor de la relación es (< 0,3), puede significar que existe paso directo del trazador entre la entrada y la salida (cortocircuito hidráulico).
0tti
b) Si la relación es menor que la unidad, existen cortocircuitos hidráulicos. Si es mayor, hay errores experimentales o existen zonas donde el trazador ha quedado retenido por un cierto tiempo (espacios muertos), para luego salir lentamente, con lo que la rama descendente de la curva presenta una forma alargada, que desplaza el centroide del área y aumenta el valor de tm, haciendo tm > to.
0t
tm
c) Indica la relación de flujo de pistón y flujo mezclado. Cuando es igual a 1, existe únicamente flujo de pistón, y cuando es 0, existe flujo mezclado. Cuando la relación tp/to se aproxima a 1 y ti/to > 0,5, se puede concluir que existe predominio de flujo de pistón, y cuando se aproxima a 0, existe predominio de flujo mezclado
0ttp
d) Está relacionado en general con la difusión debida a corrientes de inercia (turbulencia). Es igual al cociente (�to/to) (razón de tiempo de inyección) para el flujo estable ideal y aproximadamente del orden de 0,7 para flujo mezclado (según Villamonte).
0ttc
e) Está relacionado con las características de inercia turbulentas y de recirculación grande. Es igual al cociente �to/to (razón de tiempo de inyección) para el flujo estable ideal y del orden de 2,3 para flujo mezclado ideal.
0ttb
f) Expresa la excentricidad de la curva y, por lo tanto, es función de la recirculación. Es igual a (0) para flujo de pistón y mayor de 2,3 para flujo mezclado ideal.
0
))(t
titptptfe −−−=
159
ANEXO D. PROTOCOLO DE APLICACIÓN DE TRAZADORES
Se presenta el protocolo elaborado con fines académicos, propuesto como guía de laboratorio, que contiene la metodología necesaria para realizar la prueba de trazadores en el reactor
1. INTRODUCCIÓN
Para representar el funcionamiento hidráulico de un reactor, es conveniente utilizar una sustancia trazadora (sal, colorantes, ácidos o una sustancia radiactiva) que pueda ser aplicada en la entrada del reactor, y que posteriormente se comience a registrar la concentración del trazador a la salida del reactor.
2. OBJETIVO Determinar el tiempo real de retención, tipos de flujo, zonas muertas y cortocircuitos presentes en el reactor. 3. BASE TEÓRICA En el siguiente cuadro se resume la información obtenida de la revisión bibliográfica sobre trazadores en sistemas de agua:
160
Tabla 1. Información sobre trazadores en sistemas de agua
Fuente: Biblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental, 2008
161
4. MATERIALES Y EQUIPOS
• Reactor FPSBR • Cloruro de sodio • Balanza analítica • Espátula • Jeringa de 10 mL • Conductimetro • Beaker de 1000 mL 5. PROCEDIMIENTO
La prueba de trazadores consiste básicamente en seleccionar el trazador, agregar la sustancia trazadora en el afluente del reactor, con una concentración conocida y determinar a la salida la variación de la concentración del trazador a través del tiempo, a continuación se explica cada paso.
• Selección del trazador
Verificar que la sustancia no este presente en el agua y si lo esta, que este en concentraciones constantes o muy bajas. Se debe escoger aquella sustancia que no reaccione con los compuestos presentes del agua. Teniendo en cuenta lo anterior resulta muy común utilizar al cloruro de sodio, además la determinación de la concentración a la salida del reactor es rápida y fácilmente medida a través de la conductividad.
• Aplicación del trazador
La aplicación del trazador se puede hacer de dos maneras distintas. En forma instantánea o continua. La dosificación instantánea se aplica una concentración a la entrada de la unidad en un tiempo muy corto y en un punto tal que se mezcle instantáneamente con el afluente de la unidad. La cantidad de trazador P (kg) que se debe aplicar esta dada por la siguiente ecuación:
310***
ICoKVP =
162
Donde: P = Peso del trazador por añadir al reactor, kg V = Volumen útil del reactor, m3 K = Constante de corrección Co = Concentración, mg/L o g/m3 I = Grado de pureza del trazador, fracción de la unidad
Una vez conocida la cantidad de trazador, se toma el cloruro de sodio y se pesa en la balanza para obtener la cantidad requerida.
Al tener la cantidad de cloruro de sodio deseada, se disuelve en un volumen de agua determinado, evitando que la solución se sature.
• Medición de la variación del trazador
Esta solución se inyecta al afluente del reactor por medio de una jeringa y posteriormente, al recorrer la sustancia trazadora la totalidad del reactor, se registra con el conductimetro la variación de la concentración de esta, a la salida del reactor.
6. INFORME DE RESULTADOS • Reportar los valores a la entrada y la salida del reactor de la conductividad. • A partir de los datos anteriores completar la siguiente tabla:
No. mediciones Conductividad en la salida del reactor (μs/cm)
1 2
Realizar el gráfico correspondiente y aplicar el análisis de la curva de tendencia del trazador.
163
ANEXO E. DATOS DE LA EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO
Tabla1. Consolidado de datos de concentración de las pruebas en el escenario 1 del sistema PFSBR
I II III IV V VI
muestra t (min) PRUEBA 1
(mg/l) PRUEBA 2
(mg/l) PRUEBA 3
(mg/l) PROMEDIO
(mg/l) 0 0 85,10 85,10 85,10 85,10 1 10 85,10 85,10 85,10 85,10 2 20 85,10 85,10 85,10 85,10 3 30 85,10 85,10 85,10 85,10 4 40 85,10 85,10 85,10 85,10 5 50 85,10 85,10 85,10 85,10 6 60 85,10 85,10 85,10 85,10 7 70 85,10 85,10 85,10 85,10 8 80 85,10 85,10 85,10 85,10 9 90 95,60 88,70 112,90 99,07
10 100 98,50 84,30 114,70 99,17 11 110 92,30 99,30 116,80 102,80 12 120 89,50 124,00 117,20 110,23 13 130 110,00 132,60 124,30 122,30 14 140 114,80 126,70 126,40 122,63 15 150 134,60 115,70 128,90 126,40 16 160 126,80 112,80 129,70 123,10 17 170 129,00 121,90 97,90 116,27 18 180 122,70 128,98 116,50 122,73 19 190 118,70 125,80 113,20 119,23 20 200 126,40 123,50 102,30 117,40 21 210 121,40 128,40 103,40 117,73 22 220 124,60 123,80 106,20 118,20 23 230 129,70 119,80 104,70 118,07 24 240 111,30 127,60 113,60 117,50 25 250 128,70 123,80 114,60 122,37 26 260 121,40 122,40 119,50 121,10 27 270 127,30 126,30 123,70 125,77 28 280 124,70 123,70 126,40 124,93 29 290 128,70 121,60 118,60 122,97 30 300 123,60 125,70 112,40 120,57 31 310 121,70 119,70 116,30 119,2332 320 124,40 119,40 102,40 115,40
Punto máximo de concentración
Tiempo medio de retención teórico de la prueba
164
Tabla1. Consolidado de datos de concentración de las pruebas en el escenario 1 del sistema PFSBR
(Continuación)
I II III IV V VI
muestra t (min) PRUEBA 1
(mg/l) PRUEBA 2
(mg/l) PRUEBA 3
(mg/l) PROMEDIO
(mg/l) 33 330 118,60 118,60 117,80 118,33 34 340 116,70 114,00 102,80 111,17 35 350 116,20 117,80 99,50 111,17 36 360 116,80 119,20 117,20 117,73 37 370 114,50 112,30 105,70 110,83 38 380 115,70 109,60 116,40 113,90 39 390 113,70 105,40 114,70 111,27 40 400 112,40 102,30 113,80 109,50 41 410 112,50 99,30 113,90 108,57 42 420 105,60 108,40 106,70 106,90 43 430 106,50 99,60 103,60 103,23 44 440 103,20 102,40 99,80 101,80 45 450 101,90 96,50 101,90 100,10 46 460 101,10 89,70 98,70 96,50 47 470 99,50 98,70 99,50 99,23 48 480 99,10 95,60 99,10 97,93 49 490 98,40 93,50 98,40 96,77 50 500 92,40 91,20 92,40 92,00 51 510 95,40 94,50 95,40 95,10 52 520 98,60 93,60 98,60 96,93 53 530 85,80 89,50 86,20 87,20 54 540 85,80 86,30 85,80 85,97 55 550 85,80 85,80 85,80 85,80 56 560 85,80 85,80 85,80 85,80
Fuente: Autores, 2008
165
Tabla 2. Resultado de ensayo de trazadores en el escenario 1 del PFSBR I II III IV V VI VII VIII
Muestra t (min) t/t0 Concentración C-C0 Σ(C-C0) F(t) 100-F(t) 0 0 0,00 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 1 10 0,02 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 2 20 0,03 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 3 30 0,05 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 4 40 0,06 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 5 50 0,08 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 6 60 0,10 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 7 70 0,11 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 8 80 0,13 85,10 0,00 0,00 0,00 100,00 9 90 0,15 99,07 13,97 13,97 1,18 98,82
10 100 0,16 99,17 14,07 28,03 2,37 97,63 11 110 0,18 102,80 17,70 45,73 3,86 96,14 12 120 0,19 110,23 25,13 70,87 5,98 94,02 13 130 0,21 122,30 37,20 108,07 9,13 90,87 14 140 0,23 122,63 37,53 145,60 12,30 87,70 15 150 0,24 126,40 41,30 186,90 15,78 84,22 16 160 0,26 123,10 38,00 224,90 18,99 81,01 17 170 0,27 116,27 31,17 256,07 21,63 78,37 18 180 0,29 122,73 37,63 293,69 24,80 75,20 19 190 0,31 119,23 34,13 327,83 27,69 72,31 20 200 0,32 117,40 32,30 360,13 30,41 69,59 21 210 0,34 117,73 32,63 392,76 33,17 66,83 22 220 0,36 118,20 33,10 425,86 35,97 64,03 23 230 0,37 118,07 32,97 458,83 38,75 61,25 24 240 0,39 117,50 32,40 491,23 41,49 58,51 25 250 0,40 122,37 37,27 528,49 44,63 55,37 26 260 0,42 121,10 36,00 564,49 47,67 52,33 27 270 0,44 125,77 40,67 605,16 51,11 48,89 28 280 0,45 124,93 39,83 644,99 54,47 45,53 29 290 0,47 122,97 37,87 682,86 57,67 42,33 30 300 0,48 120,57 35,47 718,33 60,66 39,34
31 310 0,50 119,23 34,13 752,46 63,55 36,45 32 320 0,52 115,40 30,30 782,76 66,11 33,89 Punto máximo de concentración
166
Tabla 2. Resultado de ensayo de trazadores en el escenario 1 del PFSBR
(Continuación)
I II III IV V VI VII VIII Muestra t (min) t/t0 Concentración C-C0 Σ(C-C0) F(t) 100-F(t)
33 330 0,53 118,33 33,23 815,99 68,91 31,09 34 340 0,55 111,17 26,07 842,06 71,11 28,89 35 350 0,56 111,17 26,07 868,13 73,32 26,68 36 360 0,58 117,73 32,63 900,76 76,07 23,93 37 370 0,60 110,83 25,73 926,49 78,24 21,76 38 380 0,61 113,90 28,80 955,29 80,68 19,32 39 390 0,63 111,27 26,17 981,46 82,89 17,11 40 400 0,65 109,50 24,40 1005,86 84,95 15,05 41 410 0,66 108,57 23,47 1029,33 86,93 13,07 42 420 0,68 106,90 21,80 1051,13 88,77 11,23 43 430 0,69 103,23 18,13 1069,26 90,30 9,70 44 440 0,71 101,80 16,70 1085,96 91,71 8,29 45 450 0,73 100,10 15,00 1100,96 92,98 7,02 46 460 0,74 96,50 11,40 1112,36 93,94 6,06 47 470 0,76 99,23 14,13 1126,49 95,14 4,86 48 480 0,77 97,93 12,83 1139,33 96,22 3,78 49 490 0,79 96,77 11,67 1150,99 97,20 2,80 50 500 0,81 92,00 6,90 1157,89 97,79 2,21 51 510 0,82 95,10 10,00 1167,89 98,63 1,37 52 520 0,84 96,93 11,83 1179,73 99,63 0,37 53 530 0,86 87,20 2,10 1181,83 99,81 0,19 54 540 0,87 85,97 0,87 1182,69 99,88 0,12 55 550 0,89 85,80 0,70 1183,39 99,94 0,06 56 560 0,90 85,80 0,70 1184,09 100,00 0,00
Fuente: Autores, 2008
167
Tabla 3. Consolidado de datos de concentración de las pruebas en el escenario 2 del PFSBR I II III IV V VI
muestra t (min) PRUEBA 1
(mg/l) PRUEBA 2
(mg/l) PRUEBA 3
(mg/l) PROMEDIO
(mg/l) 0 0 85,80 85,80 85,80 85,80 1 10 85,80 85,80 85,80 85,80 2 20 85,80 85,80 85,80 85,80 3 30 85,80 85,80 85,80 85,80 4 40 85,80 85,80 85,80 85,80 5 50 85,80 85,80 85,80 85,80 6 60 85,80 85,80 85,80 85,80 7 70 85,80 85,80 85,80 85,80 8 80 85,80 85,80 85,80 85,80 9 90 85,80 85,80 85,80 85,80
10 100 85,80 85,80 85,80 85,80 11 110 85,80 85,80 85,80 85,80 12 120 85,80 85,80 85,80 85,80 13 130 85,80 85,80 85,80 85,80 14 140 85,80 85,80 85,80 85,80 15 150 85,80 85,80 85,80 85,80 16 160 85,80 85,80 85,80 85,80 17 170 85,80 85,80 85,80 85,80 18 180 85,80 85,80 85,80 85,80 19 190 92,30 88,60 92,70 91,20 20 200 95,80 95,40 98,70 96,63 21 210 101,90 102,50 103,40 102,60 22 220 103,70 104,30 106,20 104,73 23 230 103,80 102,70 104,70 103,73 24 240 109,30 113,10 113,60 112,00 25 250 112,50 111,40 114,60 112,83 26 260 119,30 121,20 119,50 120,00 27 270 120,50 126,30 123,70 123,50 28 280 121,20 123,70 126,40 123,77 29 290 122,90 129,60 129,60 127,37 30 300 131,90 125,70 121,80 126,47 31 310 126,40 127,30 124,80 126,1732 320 123,80 128,70 129,80 127,43
Punto máximo de concentración
Tiempo medio de retención teórico de la prueba
168
Tabla 3. Consolidado de datos de concentración de las pruebas en el escenario 2 del PFSBR
(Continuación)
I II III IV V VI
muestra t (min) PRUEBA 1
(mg/l) PRUEBA 2
(mg/l) PRUEBA 3
(mg/l) PROMEDIO
(mg/l) 33 330 126,20 126,70 127,50 126,80 34 340 121,70 129,40 124,80 125,30 35 350 115,70 123,70 126,80 122,07 36 360 115,20 125,90 125,90 122,33 37 370 114,50 127,60 126,80 122,97 38 380 113,20 128,40 123,50 121,70 39 390 111,30 119,70 121,10 117,37 40 400 110,80 123,30 117,60 117,23 41 410 109,60 125,80 113,90 116,43 42 420 108,30 122,60 109,40 113,43 43 430 107,40 117,90 113,20 112,83 44 440 104,20 102,40 99,80 102,13 45 450 102,80 96,50 101,90 100,40 46 460 100,20 89,70 98,70 96,20 47 470 99,50 98,70 99,50 99,23 48 480 99,10 95,60 99,10 97,93 49 490 98,40 93,50 98,40 96,77 50 500 97,40 91,20 92,40 93,67 51 510 94,70 94,50 95,40 94,87 52 520 90,30 93,60 92,60 92,17 53 530 89,20 89,50 90,10 89,60 54 540 88,50 86,30 88,90 87,90 55 550 88,10 87,30 87,50 87,63 56 560 87,20 89,40 85,90 87,50 57 570 87,00 87,30 85,90 86,73 58 580 86,70 85,80 86,90 86,47 59 590 85,80 85,80 85,80 85,80 60 600 85,80 85,80 85,80 85,80 61 610 85,80 85,80 85,80 85,80
Fuente: Autores, 2008
Punto máximo de concentración
Tiempo medio de retención teórico de la prueba
169
Tabla 4. Resultado de ensayo de trazadores en el escenario 2 del PFSBR
I II III IV V VI VII VIII muestra t (min) t/t0 Concentración C-C0 Σ(C-C0) F(t) 100-F(t)
0 0 0,00 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 1 10 0,02 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 2 20 0,03 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 3 30 0,05 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 4 40 0,06 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 5 50 0,08 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 6 60 0,10 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 7 70 0,11 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 8 80 0,13 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 9 90 0,15 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00
10 100 0,16 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 11 110 0,18 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 12 120 0,19 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 13 130 0,21 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 14 140 0,23 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 15 150 0,24 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 16 160 0,26 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 17 170 0,27 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 18 180 0,29 85,80 0,00 0,00 0,00 100,00 19 190 0,31 91,20 5,40 5,40 0,61 99,39 20 200 0,32 96,63 10,83 16,23 1,84 98,16 21 210 0,34 102,60 16,80 33,03 3,74 96,26 22 220 0,36 104,73 18,93 51,97 5,88 94,12 23 230 0,37 103,73 17,93 69,90 7,91 92,09 24 240 0,39 112,00 26,20 96,10 10,87 89,13 25 250 0,40 112,83 27,03 123,13 13,93 86,07 26 260 0,42 120,00 34,20 157,33 17,80 82,20 27 270 0,44 123,50 37,70 195,03 22,06 77,94 28 280 0,45 123,77 37,97 233,00 26,35 73,65 29 290 0,47 127,37 41,57 274,57 31,06 68,94 30 300 0,48 126,47 40,67 315,23 35,66 64,34
31 310 0,50 126,17 40,37 355,60 40,22 59,78 32 320 0,52 127,43 41,63 397,23 44,93 55,07
Punto máximo de concentración
Tiempo medio de retención teórico de la prueba
170
Tabla 4. Resultado de ensayo de trazadores en el escenario 2 del PFSBR
(Continuación)
I II III IV V VI VII VIII muestra t (min) t/t0 Concentración C-C0 Σ(C-C0) F(t) 100-F(t)
33 330 0,53 126,80 41,00 438,23 49,57 50,43 34 340 0,55 125,30 39,50 477,73 54,04 45,96 35 350 0,56 122,07 36,27 514,00 58,14 41,86 36 360 0,58 122,33 36,53 550,53 62,27 37,73 37 370 0,60 122,97 37,17 587,70 66,47 33,53 38 380 0,61 121,70 35,90 623,60 70,54 29,46 39 390 0,63 117,37 31,57 655,17 74,11 25,89 40 400 0,65 117,23 31,43 686,60 77,66 22,34 41 410 0,66 116,43 30,63 717,23 81,13 18,87 42 420 0,68 113,43 27,63 744,87 84,25 15,75 43 430 0,69 112,83 27,03 771,90 87,31 12,69 44 440 0,71 102,13 16,33 788,23 89,16 10,84 45 450 0,73 100,40 14,60 802,83 90,81 9,19 46 460 0,74 96,20 10,40 813,23 91,98 8,02 47 470 0,76 99,23 13,43 826,67 93,50 6,50 48 480 0,77 97,93 12,13 838,80 94,88 5,12 49 490 0,79 96,77 10,97 849,77 96,12 3,88 50 500 0,81 93,67 7,87 857,63 97,01 2,99 51 510 0,82 94,87 9,07 866,70 98,03 1,97 52 520 0,84 92,17 6,37 873,07 98,75 1,25 53 530 0,86 89,60 3,80 876,87 99,18 0,82 54 540 0,87 87,90 2,10 878,97 99,42 0,58 55 550 0,89 87,63 1,83 880,80 99,63 0,37 56 560 0,90 87,50 1,70 882,50 99,82 0,18 57 570 0,92 86,73 0,93 883,43 99,92 0,08 58 580 0,94 86,47 0,67 884,10 100,00 0,00 59 590 0,95 85,80 0,00 884,10 100,00 0,00 60 600 0,97 85,80 0,00 884,10 100,00 0,00 61 610 0,98 85,80 0,00 884,10 100,00 0,00
Fuente: Autores, 2008
171
ANEXO F. MEDICIONES DE LOS PARÁMETROS DE CONTROL DEL PFSBR
Tabla 1. Medición de parámetros diarios
Mes Medición No.
Parámetro
pH T(°C) OD (mg/L) TDS (mg/L) Cond ( μs/cm)
JUNIO
1 7,2 17,7 2,6 290 845 2 6,9 17,3 2,7 296 934 3 4,3 17,6 2,9 312 945 4 2,6 17,4 3,1 305 955 5 7,2 17,5 3 315 895 6 6,9 17,4 2,8 325 1012 7 7,1 17,6 2,6 309 962 8 7 17,7 2,5 318 935 9 7,3 17,8 2,7 327 895
10 7,1 17,6 2,9 336 968 11 7,5 16,3 3,1 345 1023 12 7,3 17,2 2,9 357 1012 13 7,9 17,9 2,8 350 1026 14 7,2 17,7 1,9 357 1015 15 7,9 17,6 0,93 337 1045 16 7,2 17,4 3,2 512 1050 17 7 17,2 0,63 507 1100 18 7,2 16,9 4,3 522 1023 19 7,3 16,1 2,6 520 1029 20 7,4 16,3 2,4 546 1097 21 7,5 16,1 2,4 503 1098 22 7,3 16,1 3,5 498 1026 23 7,5 16,5 3,2 551 1048 24 7,2 15,8 3,9 548 1044
JULIO
25 7,7 16,1 3,1 510 1610 26 7,5 16,5 2,6 524 1595 27 7,2 16,5 3,2 580 1440 28 7,5 16,2 3,3 805 1610 29 7,2 16,1 3,5 795 1685 30 7,1 15,8 3,3 720 1650 31 7,4 16,2 3,8 804 1690 32 7,5 16,1 4,8 842 1680 33 7,5 16 3,2 824 1705 34 7,4 16,1 3,2 845 1710 35 7,5 16,2 2,9 840 1712 36 7,1 16,3 2,8 848 1713
Fuente: Autores, 2008
172
Tabla 1. Medición de parámetros diarios (Continuación)
Mes Medición N Parámetro
pH T(°C) OD (mg/L) TDS (mg/L) Cond ( μs/cm)
AGOSTO
37 7,2 15,9 2,6 850 1785 38 7,3 16,1 2,7 852 1789 39 7,2 16,1 2,8 856 2258 40 7,4 16,2 2,6 892 1784 41 7,3 16,4 2,5 945 1890 42 7,2 16,2 2,4 1140 2280 43 7,5 16,3 2,6 1100 2200 44 7,8 16,4 2,6 1085 2170 45 7,7 16,2 2,8 960 1920 46 7,6 16,1 2,7 985 1970 47 7,5 16,4 2,8 1015 2030 48 7,6 16,3 2,9 995 1990
SEPTIEMBRE
49 7,7 16,1 3 970 1940 50 7,8 16,3 3,1 1100 2200 51 7,8 16,1 2,8 1150 2300 52 7,9 16,1 2,9 1050 2100 53 7,4 16,5 3,2 1080 2160 54 7,6 15,8 3,1 1120 2240 55 7,5 16,1 2,9 1065 2130 56 7,8 16,5 3,3 1060 2120 57 7,7 16,5 3,2 1055 2110 58 7,4 16,2 2,9 985 1970 59 7,2 16,1 3,1 950 1900 60 7,6 15,8 3,2 920 1840
OCTUBRE
61 7,4 16,2 3,4 1100 2200 62 7,5 16,4 3,2 1090 2180 63 7,8 16,2 3,3 1060 2120 64 7,9 16,3 2,9 1075 2150 65 7,7 16,4 2,8 1015 2030 66 7,5 16,2 2,5 975 1950 67 7,5 16,1 2,6 970 1940 68 7,4 16,4 2,8 985 1970 69 7,5 16,3 3,5 990 1980 70 7,1 16,1 3,2 1100 2200 71 7,2 16,3 3,9 1080 2160 72 7,2 16,1 3,1 1040 2080 73 7,2 16,1 2,6 1050 2100 74 7,4 16,5 3,2 1035 2070 75 7,6 15,8 3,3 1045 2090
NOVIEMBRE
76 7,8 16,1 3,5 1065 2130 77 7,7 16,5 3,2 1055 2110 78 7,5 16,5 3,1 1095 2190 79 7,4 16,2 3,2 1080 2170 80 7,3 16,1 3,3 1090 2150 81 7,5 15,8 3 1100 2230 82 7,6 16,2 2,8 1070 2130 83 7,2 16,1 2,6 1065 2140 84 7,4 16,4 3,1 1075 2160
85 7,5 16,3 3,3 1085 2150 86 7,6 16,2 3,2 1095 2210 87 7,2 16,4 3,4 1080 2190
Fuente: Autores, 2008.
173
Tabla 2. MEDICIÓN DE PARAMETROS DE CONTROL
Mes Medición No.
Parámetro
F / M SSLM IVL Cv
(Kg DBO/Kg SSVLM.dia) (ml/g) (ml/g) (Kg DBO/m3.dia)
JUNIO
1 0,64 820,00 54,88 0,37 2 0,66 850,00 70,59 0,33 3 0,52 920,00 79,35 0,36 4 0,52 910,00 54,95 0,34 5 0,34 1350,00 44,44 0,35 6 0,35 1450,00 31,03 0,35 7 0,27 1920,00 45,31 0,35 8 0,21 2110,00 58,77 0,36 9 0,20 2050,00 54,63 0,36
10 0,22 2100,00 69,05 0,36 11 0,19 2140,00 74,77 0,35 12 0,28 1468,00 60,63 0,34
JULIO
13 0,18 2535,00 53,25 0,39 14 0,15 2987,00 62,60 0,40 15 0,11 3100,00 67,74 0,31 16 0,12 2897,00 68,35 0,32
AGO
17 0,13 2996,00 64,09 0,36 18 0,13 3213,00 62,56 0,39 19 0,11 3423,00 62,52 0,35 20 0,11 3312,00 63,71 0,39
SEPT
21 0,13 3123,00 64,36 0,36 22 0,12 3456,00 61,63 0,36 23 0,18 2345,00 84,43 0,37 24 0,11 3654,00 61,30 0,39
OCT
25 0,09 3543,00 61,53 0,40 26 0,09 3876,00 58,82 0,39 27 0,11 3498,00 58,60 0,35 28 0,11 3389,00 56,36 0,40 29 0,12 3324,00 59,57 0,37
NOV
30 0,11 3412,00 61,55 0,35 31 0,10 3456,00 58,74 0,40 32 0,12 3298,00 60,04 0,37 33 0,11 3213,00 64,74 0,36
Fuente: Autores, 2008.
174
Tabla 3. MEDICIÓN DE PARÁMETROS DE EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA DBO5
DBO5 (mg/L) ENTRADA SALIDA % REMOCION
275 176 36 245 165 32,65 265 164 38,11 253 134 47,04 258 137 46,90 259 110 57,53 262 123 53,05 265 167 36,98 267 134 49,81 271 112 58,67 261 123 52,87 255 124 51,37 287 110 61,67 297 98 67,00 232 105 54,74 236 108 54,24 268 95 64,55 290 52 82,07 287 45 84,32 254 15 94,09 212 23 89,15 234 34 85,47 267 65 75,66 270 25 90,74 262 12 95,42 245 16 93,47 291 8 97,25 270 12 95,56 265 11 95,85 255 6 97,65 259 15 94,21 248 14 94,35 289 11 96,19
Fuente: Autores, 2008.
175
Tabla 4. MEDICIÓN DE PARAMETROS DE EFICIENCIA PARA LA DQO DQO (mg/L)
ENTRADA SALIDA % REMOCION
512 396 22,66 558 378 32,26 576 351 39,06 554 271 51,08 423 283 33,10 580 273 52,93 578 256 55,71 572 348 39,16 579 284 50,95 570 254 55,44 565 274 51,50 567 225 60,32 590 195 66,95 580 98 83,10 575 165 71,30 432 185 57,18 598 97 83,78 582 88 84,88 590 62 89,49 523 59 88,72 587 55 90,63 590 55 90,68 579 48 91,71 123 45 63,41 598 52 91,30 521 41 92,13 595 48 91,93 578 28 95,16 589 21 96,43 487 25 94,87 591 21 96,45 598 18 96,99 570 15 97,37
Fuente: Autores, 2008.
176
Tabla 5. MEDICIÓN DE PARÁMETROS PARA LOS SST
SST (mg/L) ENTRADA SALIDA % REMOCION
250 82 67,20 276 89 67,75 262 91 65,27 267 92 65,54 268 82 69,40 279 84 69,89 284 86 69,72 275 85 69,09 265 79 70,19 308 75 75,65 269 67 75,09 263 78 70,34 296 76 74,32 272 70 74,26 275 56 79,64 285 52 81,75 294 48 83,67 293 58 80,20 305 57 81,31 275 53 80,73 278 44 84,17 262 45 82,82 276 61 77,90 276 48 82,61 272 57 79,04 261 33 87,36 271 36 86,72 304 31 89,80 268 22 91,79 279 48 82,80 281 37 86,83 251 29 88,45 256 36 85,94
Fuente: Autores, 2008.
177
ANEXO G. PROYECCIONES DEL SALARIO MÍNIMO MENSUAL LEGAL VIGENTE (SMMLV) PARA COLOMBIA
N AÑO SMMLV ANUAL
(PESOS) INCREMENTO ( %)SMMLV/HORA
(PESOS) SMMLV ANUAL
(PESOS)1 1995 118.933 20.50% 495,55 428.158,82 1996 142.125 19.50% 592,19 511.650,03 1997 172.005 21.02% 716,69 619.218,04 1998 203.826 18.50% 849,28 733.773,65 1999 236.460 16.01% 985,25 851.256,06 2000 260.100 10.00% 1.083,75 936.360,07 2001 286.000 9.96% 1.191,67 1’029.600,08 2002 309.000 8.04% 1.287,50 1’112.400,09 2003 332.000 7.44% 1.383,33 1’195.200,0
10 2004 358.000 7.83% 1.491,67 1’288.800,011 2005 381.500 6.56% 1.589,58 1’373.400,012 2006 408.000 69,55 1.700,00 1’468.800,013 2007 433.700 6.3% 1.807,08 1’561.320,014 2008 461.500 No aplica 1.922,92 1’661.400,015 2009 488.814 No aplica 2.036,73 1’759.730,416 2010 514.912 No aplica 2.145,47 1’853.683,217 2011 541.010 No aplica 2.254,21 1’947.636,018 2012 567.108 No aplica 2.362,95 2’041.588,819 2013 593.206 No aplica 2.471,69 2’135.541,620 2014 619.304 No aplica 2.580,43 2’229.494,421 2015 645.402 No aplica 2.689,18 2’323.447,222 2016 671.500 No aplica 2.797,92 2’417.400,023 2017 697.598 No aplica 2.906,66 2’511.352,824 2018 723.696 No aplica 3.015,40 2’605.305,6
Fuente: Autores, 2008
178
ANEXO H. PROYECCIONES DEL VALOR DE LA TARIFA DE CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN COLOMBIA
Tabla. Proyecciones para el año 2018 del consumo de energía eléctrica
N AÑOVALOR KW/H
(PESOS)VALOR ANUAL
(PESOS) 1 1983 10,44 7’316.352 2 1984 10,94 7’666.752 3 1985 11,38 7’975.104 4 1986 12,14 8’507.712 5 1987 12,85 9’005.280 6 1988 13,61 9’537.888 7 1989 13,49 9’453.792 8 1990 14,3 10’021.440 9 1991 15,05 10’547.040
10 1992 16,3 11’423.040 11 1993 18,63 13’055.904 12 1994 19,73 13’826.784 13 1995 20,11 14’093.088 14 1996 21,55 15’102.240 15 1997 21,58 15’123.264 16 1998 24,76 17’351.808 17 1999 26,64 18’669.312 18 2000 31,74 22’243.392 19 2001 38,9 27’261.120 20 2002 38,29 26’833.632 21 2003 40,96 28’704.768 22 2004 42,73 29’945.184 23 2005 39,605 27’755.184 24 2006 41,126 28’821.100,8 25 2007 42,647 29’887.017,6 26 2008 44,168 30’952.934,4 27 2009 45,689 32’018.851,2 28 2010 47,21 33’084768 29 2011 48,731 34’150.684,8 30 2012 50,252 35’216.601,6 31 2013 51,773 36’282.518,4 32 2014 53,294 37’348.435,2 33 2015 54,815 38’414.352 34 2016 56,336 39’480.268,8 35 2017 57,857 40’546.185,6 36 2018 59,378 41’612.102,4
Fuente: Autores, 2008
179
ANEXO I. CÁLCULO DE LAS TASAS RETRIBUTIVAS
Caudal 1,4 Lps DBO 300 mg/l SST 200 mg/l
tiempo 24 horas conversion 0,0864
Fuente: Autores, 2007 CARGA CONTAMINANTE
0,0864 Factor de conversión T Tiempo del vertimiento
C Conc. Sustancia
CARGA CONTAMINANTE Q Caudal (LPS)
CcDBO 36,288 kg/d CcSST 24,192 kg/d
Fuente: Autores, 2008
Por la cual se actualizan las tarifas minimas de las tasas retributivas por vertimientos liquidos y se dictan disposiones para los parametros DBO y SST
SUSTANCIA VALOR Kg AÑO UNIDAD
DBO 88,48 2007 $ / kg SST 37,87 2007 $ / kg Fuente: Autores, 2008
Ajustar anualmente en el mes de enero según el indice de precios al consumidor (IPC) determinado por el DANE para el año inmediatamente anterior
( ) 0864.024 ×××= tCQCc
180
ACTOR REGIONAL
Queda incluido el valor de la depreciación del recurso afectado, se evalúa anualmente entre la contaminación total y el nivel de la tarifa se ajusta el Fr hasta alcanzar un nivel de la Tr que cause la reducción de la carga, el Fr empieza con un valor igual a 1 no supera el valor de 5,5
Se aplica a los usuarios que no cumplan la meta de reducción
FR1 = FR0 + (Cc – CcM)/ CcL - CcM FR1 Factor regional ajustado FRO Factor regional del año anterior Cc El monto que paga cada usuario depende de la cantidad vertida
VALOR A PAGAR DE DBO PARAMETRO VALOR/DIA VALOR/MES VALOR/AÑO SIGNIFICADO
MP $ 6.100,45 $ 189.113,90 $ 2.269.366,75 Monto a pagar ($/DIA)
CX 36,288 1124,928 $ 13.499,14 Carga contaminante de la sustancia X Vertimiento durante el periodo de cobro
TMX 88,48 2742,88 $ 32.914,56 TARIFA MINIMA DEL PARAMETRO
FRX 1,9 58,9 706,8 FACTOR REGIONAL DEL PARAMETRO X aplicado al usuario
VALOR A PAGAR DE SST PARAMETRO VALOR/DIA VALOR/MES VALOR/AÑO SIGNIFICADO
MP $ 1.740,69 $ 41.776,49 $ 501.317,85 Monto a pagar ($/DIA)
CX 24,192 580,61 6.967,30 Carga contaminante de la sustancia X Vertimiento durante el periodo de cobro
TMX 37,87 908,88 10.906,56 TARIFA MINIMA DEL PARAMETRO
FRX 1,9 58,9 706,8 FACTOR REGIONAL DEL PARAMETRO X aplicado al usuario
VALOR DE LA TASA RETRIBUTIVA $ 2.770.684,60
181
ANEXO J. DISEÑO DEL PFSBR A ESCALA REAL
Tabla 1.Características del afluente PARAMETROS GENERALES DEL ARS VALOR UNIDAD
pH 7 U de pH
DBO5in 300 mg/l
DQOin 600 mg/l
SST 190 mg/l
SSV 80 mg/l
Ntotal 8 mg/l
Ptotal 50 mg/l Temperatura 20 °C
Conductividad 650 µs/cm Fuente: Autores, 2008
Tabla 2. Dimensiones del reactor
DIMENSION VALOR UNIDAD LARGO 15,00 m ANCHO 3,20 m ALTURA 3,30 m
Fuente: Autores, 2008
34.1583.32.30.15
mVolumenmmmVolumen
=
××=
horasTRH 24=
hmCaudal /04.5 3=
Tabla 3. Características de funcionamiento del reactor
Número de ciclos 6 Ciclos/día Duración del ciclo 4 Horas Tiempo de aireación 2 Horas Tiempo de sedimentación 1 Horas Tiempo de decantación 1 Horas Nivel mínimo del agua 1.0 m Profundidad media 1.30 m Nivel máximo del agua 3.00 m
Fuente: Autores, 2008
182
Tabla 4. Cargas contaminantes
PARAMETRO CONCENTRACIÓN (mg/L)
CARGA CONTAMINANTE
(Kg/día) DQO 600 72.6
DBO5 300 36.29 SST 190 23
Fuente: Autores, 2008
1. Cálculo del tiempo de aireación Se calcula el tiempo de aireación de acuerdo a los parámetros asumidos:
PARAMETRO VALOR UNIDAD
F/M 0,1 Kg DBO5 / Kg SSLM.dia SSLM 3500 mg/L
Fuente: Autores, 2008
CaudalVolumenTa =
SSLMMFCcVolumen×
=/
35
5
/5.3)./1.0(/29.36
mKgdiaKgSSLMKgDBOdiaKgDBOVolumen×
=
368.103 mVolumen =
hmmTa/04.5
68.1033
3
=
hTa 57.20=
183
2. Cálculo del sistema de aireación • Oxígeno requerido El oxígeno necesario para oxigenar el reactor se calculó bajo la modalidad de aireación extendida, por presentar mayor eficiencia, para esto los parámetros se deben encontrar dentro de los siguientes valores:
PROCESO Carga Orgánica
Kg DBO5/Kg SSLM.dia
TRH horas
Edad del lodo Dias
Carga Volúmetrica
Kg DBO5/m3.dia
SSLM Kg/m3
Aireación extendida
0,05 – 0,3 >18 12 - 30 < 0,4 3 - 6
Uno de los parámetros a tener en cuenta para la utilización de la aireación extendida, es la carga volumétrica (Cv), dada por la relación entre carga entrante al reactor (Cc) y el volumen del mismo. Teniendo en cuenta lo anterior, la carga volumétrica será:
VolumenCcCv /= 3
5 4.158/)/29.36( mdiaKgDBOCv = diamKgDBOCv 3
5 /23.0= Durante el tratamiento, se presencia una serie de procesos metabólicos y de asimilación de compuestos, empezando con la generación de nuevo material celular (producción de biomasa) y respiración del sustrato. Este primer proceso es importante debido a que en un tratamiento aerobio se debe garantizar una concentración suficiente de oxígeno disuelto para llevar a cabo la degradación de la materia orgánica. La ecuación característica del proceso es:
8(CH2O) + NH3+3O2 → C5H7NO2 + 3CO2 + 6H2O+E La ecuación utilizada para calcular el consumo de oxígeno necesario para la respiración del sustrato (O2s) es:
LEasO ××= )100/(2 Donde, a: Kg O2/Kg DBO, requerido para oxidar el carbono orgánico L: carga que ingresa al reactor Kg DBO5/día E: Eficiencia de remoción
diaKgDBOsO /29.36%9556.0 52 ××=
184
diaKgOsO /3.19 22 = El segundo proceso que se presenta es la auto-oxidación del material celular para abastecer a microorganismos vivos y realizar la respiración endógena. Este proceso se representa por la siguiente ecuación:
C5H7NO2 + 502 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + E La ecuación que permite conocer el consumo de oxígeno de este proceso es:
VMKreeO ××=2 Donde, Kre: tasa de respiración endógena M:SSLM (Kg/m3) V: volumen del reactor El valor de Kre (tasa de respiración endógena, que depende de la carga de lodos) a utilizar será igual a 0.1 Kg O2/Kg MLSS-día. Reemplazando en la ecuación, se obtiene:
332 4.158/5.31.0 mmKgSSLMeO ××=
diaKgeO /44.552 = El tercer proceso de consumo de oxígeno lo realiza la estabilización completa y reducción de nitrógeno. Es en este proceso que se produce la nitrificación bajo condiciones ambientales apropiadas, y se expresa por medio de la siguiente ecuación:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
Para determinar la relación de oxígeno por cantidad de nitrógeno se debe utilizar la siguiente ecuación:
oxLNNO ×= 57.42
exox NlLNHLN −= +4
Donde,
185
Nlex: nitrógeno en lodo en exceso LNox: carga de nitrógeno que se va a oxidar LNH4
+: carga de amonio De esta manera se obtiene:
diaKgLNox /006.0= diaKgNO /006.057.42 ×=
diaKgNO /0282.02 = Consumo total de oxígeno:
NOeOsOTO 2222 ++= diaKgOTO /094.0 22 =
hKgOTO /1092.3 23
2−×=
• Capacidad de transferencia de oxígeno del soplador. Se define como la capacidad de oxigenación estándar (COE) como la velocidad del soplador en la transferencia de oxígeno, medida en condiciones estándar (20°C y 1atm) , sobre agua limpia con concentración inicial de OD de 0.0 mg/l
SL CaKVCOE ××=
Donde, V: Volumen del reactor KLa: 0.96/h
lmghlCOE /2.9/96.0158400 ××=
hkgCOE /4.1= Para determinar la capacidad de oxigenación real (COR), se utiliza la siguiente fórmula:
20024.1 −×⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
×××= TLSW
CsCC
FCOECOR α
Donde,
186
α: Velocidad relativa de transferencia de oxígeno referida al agua limpia. Valores entra 0.68 y 0.94 β: Factor de saturación del oxígeno referida al agua limpia. Normalmente varía entre 0.8 y 1.0 CS: Concentración de saturación del oxígeno disuelto en condiciones estándar
(9.2 mg/l) CL: Concentración de oxigeno disuelto en agua residual. Se debe mantener una
concentración mínima de oxígeno de 2.0 mg/l CSW: Concentración de saturación del oxígeno a las condiciones de presión y
temperatura del sitio donde se encuentra el reactor CSW = β*CS F: Factor de obstrucción por difusores finos. Se recomienda utilizar un valor de 0.8 T: Temperatura del líquido
2015024.1/2.9
/2)/2.995.0(/4.185.0 −×⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −×××=
lmglmglmghkgCOR
hKgOCOR /77.0 2=
• Producción de lodos.
LEbLsPI ×××= 100/)(2.1 23.0
Donde Ls: carga másica Eb: eficiencia de remoción L: carga entrante al reactor Así, la producción de lodos determinada será:
diaKgPI /29.36100/95)1.0(2.1 23.0 ×××= diaKgSSLMPI /36.24=
REACTO
SECUEN
CIALES DE FLUJO A PISTÓN
(FPSBR)
R BIOLÓG
ICO DE CARGAS
2008
AUTORES. VARGAS ROJAS JUAN CARLOS TORRES VERGARA JAIRO
MANTENIMIENTO
MANUAL DE OPERACIÓN Y
Este manual es una guía práctica para conocer las pautas y procedimientos para el buen desempeño y operación de cada una de las unidades que conforman el sistema de tratamiento biológico FPSBR. Un sistema de flujo continuo diseñado a partir de un sistema SBR convencional que utiliza el principio de lodos activados de mezcla completa. Su funcionamiento se basa en la secuencia de ciclos de aireación, sedimentación y decantación, con alimentación continua en un único reactor, esta unidad piloto contiene dos zonas principales, la zona de pre-reacción, donde ocurre la selección biológica, se limita el crecimiento de bacterias filamentosas, la retención de grasas y la homogenización de caudales, la segunda zona es la de reacción donde ocurren los procesos de oxidación biológica, nitrificación y desnitrificación.
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE ING. AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTA, COLOMBIA [email protected] [email protected]
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MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
1. Conceptos básicos. 1.1 Sistema convencional de lodos activados. 1.2 Sistema SBR (reactor biológico de cargas secuenciales)
2. Descripción del sistema FPSBR (reactor biológico de cargas secuenciales de
flujo a pistón). 2.2 Aireación 2.2 Sedimentación 2.3 Decantación
3 Componentes del sistema 3.1 Tanque de alimentación 3.2 Bombas dosificadoras 3.3 Sistema de tuberías de entrada y salida 3.4 Reactor 3.5 Sistema de aireación 3.6 Decantador
4. Descripción del funcionamiento
5. Solución de problemas
6. Mantenimiento preventivo
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MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
A continuación se resaltan los procesos biológicos que se utilizaron como principio básico para el desarrollo del sistema FPSBR.
1.1 SISTEMA CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS El diseño de una planta de lodos activados se basa en el consumo de materia orgánica biodegradable medida en parámetros de DBO y SST, formada fundamentalmente por compuestos carbonosos en disolución. Dicho consumo es el resultado del proceso de oxidación biológica que se lleva a cabo en el reactor. Por su parte, la DBO insoluble se separa principalmente por sedimentación en los clarificadores primario y secundario (Metcalf & Eddy, 1995). El proceso se basa en el consumo de la DBO soluble. Este consumo es el resultado del proceso de oxidación biológica que se presenta en el reactor, por otra parte, la DBO insoluble se separa mediante sedimentación en los clarificadores primario y secundario.
1.2 SISTEMA CONVENCIONAL SBR De acuerdo a la Agencia de protección ambiental EPA, (1999) de los Estados Unidos, un Reactor Biológico de Cargas Secuenciales (SBR) es un sistema de lodos activados para el tratamiento de agua residual doméstica e industrial, que utiliza ciclos de llenado y descarga. En este reactor el agua residual entra por cochadas; donde el flujo recibe un tratamiento biológico para remover componentes indeseables. En el sistema la homogenización de caudales, la aireación y la sedimentación se logra en un solo reactor. Para el desempeño del sistema se utilizan dos o más reactores en una secuencia de operación predeterminada. En los últimos años los sistemas SBR han sido utilizados con éxito para tratar aguas residuales domésticas e industriales. Este sistema se caracteriza por su flexibilidad operativa, poco espacio requerido para su funcionamiento, posibilidad de ser totalmente automático, capacidad para homogeneizar el ingreso de afluentes y control de caudales intermitentes. Un reactor biológico de cargas secuenciales (SBR), esta compuesto por una serie de etapas aerobias, anaerobias y anóxicas que permiten la degradación y síntesis de la materia orgánica. Normalmente un reactor trabaja bajo 5 fases de operación: fase de llenado, aireación-reacción, sedimentación, extracción y purga de lodos.
EFLUENTE PRIMARIO
LODO RESIDUAL
RECIRCULACION DE LODO
EFLUENTE AFLUENTE
LICOR MIXTO
CLARIFICACION PRIMARIA
AIREACIÓN CLARIFICACION
ARIA SECUND
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MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
Llenado. El líquido afluente (sustrato) es bombeado uniformemente para establecer buen contacto entre los microorganismos y el sustrato existente. Aireación. El afluente se mezcla con el lodo biológico en el reactor, recibe un aporte de oxígeno que cumple dos funciones; mantener los sólidos en suspensión, impidiendo la sedimentación de los mismos y el suministro del oxígeno necesario para la oxidación de la materia orgánica Sedimentación. En esta etapa se interrumpe la aireación, y por gravedad se separa el lodo del líquido clarificado físicamente como en un proceso normal de lodos activados. Extracción – decantación. Luego de un tiempo suficiente para producirse una buena separación entre el lodo sedimentado y el agua sobrenadante, se activa automáticamente la bomba de extracción. Purga – reposo. El período final consiste en la eliminación del lodo excedente, que es bombeado al digestor aeróbico, para la posterior eliminación del sistema.
LLENADO AIREACION - REACCIÓN
Fase 1 Fase 2
SEDIMENTACIÓN
Fase 3
DECANTACIÓN PURGA
Fase 4 Fase 5
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MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
El FPSBR es un sistema de flujo continuo diseñado a partir de un sistema SBR convencional, el reactor utiliza el principio de lodos activados de mezcla completa. Su funcionamiento se basa en la secuencia de ciclos de aireación, sedimentación, y decantación con alimentación continua, a diferencia del SBR convencional donde la alimentación se lleva a cabo una vez se completan los ciclos. El FPSBR realiza todo el proceso en un único reactor mientras que una planta convencional SBR, sucede mínimo en dos reactores que operan alternadamente: mientras que en el primer reactor ocurre la aireación, en el otro ocurre la sedimentación y decantación.
Esquema general de la planta piloto FPSBR
Fuente: Autores, 2008
La unidad piloto consiste en dos zonas principales, las cuales están divididas por una pantalla perpendicular al flujo; en la primera zona ocurre un proceso de pre-reacción, que desempeña una tarea de selección biológica, limitando el crecimiento de bacterias filamentosas que generan una formación de lodo con pobres características de sedimentabilidad conocido comúnmente como bulking, En la primera fase del proceso biológico se asegura un nivel elevado de la relación alimento/microorganismos a concentraciones de oxigeno disuelto estables donde la presencia de gran cantidad de sustrato permite la rápida adsorción de la materia orgánica soluble por parte de los organismos formadores de flóculos. La rápida eliminación de la materia orgánica impide la asimilación por parte de los microorganismos filamentosos, lo cual ha sido probado en otros estudios a escala real y laboratorio según lo enuncia Albertson (1987), utilizando selectores aireados, no aireados, anóxicos y anaerobios, el tiempo del selector es relativamente corto, normalmente puede tardar de 10 a 30 min. Adicionalmente en esta zona no solo se disipa la energía de llegada al reactor sino que permite la flotación de grasas no emulsionadas, constituyéndose entonces en una unidad similar a una trampa de grasas. Usualmente los reactores SBR utilizan un PLC (programmable logic controller) que activa y controla las tareas diarias del sistema, facilitando la operación y por ende minimizando los errores operacionales ocasionados por el descuido del operario, para este caso se manipuló manualmente debido a los altos costos de implementación. Una vez el agua residual no tratada supera la zona de pre-reacción, llega a la zona de reacción donde ocurre la mayor parte de los procesos de remoción de la carga contaminante, intercambiando periodos aerobios y anóxicos a los largo de un ciclo. A continuación se describen detalladamente cada una de las fases del sistema:
SOPLADOR 1
DECANTADOR
AFLUENTE
VALVULA
DIFUSOR
EFLUENTE
BOMBAS PERISTALICAS
(DOSIFICACIÓN)
TANQUE
DE
ALINTACIÓN
SOPLADOR 2
SOPLADOR 3
FPSBRAgua Clarificada
Lodo Sedimentado Pantalla de Pre-reacción
Válvula de Succión bomba 1 Válvula de Succión bomba 2
21
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2.1 Aireación. En esta fase del ciclo se desarrollan todas las reacciones metabólicas por las cuales la biomasa consume la materia orgánica en presencia de oxígeno. El afluente se mezcla con el lodo biológico en el reactor, recibe un aporte de oxígeno que cumple dos funciones; mantener los sólidos en suspensión, impidiendo la sedimentación de los mismos y el suministro del oxígeno necesario para la oxidación de la materia orgánica. En estas condiciones las bacterias se reproducen y crean una población tal, que forma flóculos grandes y pesados de colonias microbianas, que retienen la materia orgánica disuelta. En esta fase se presentan procesos de nitrificación y desnitrificación, el sistema de aireación es encendido y apagado cíclicamente creando condiciones anóxicas y aeróbicas alternadas, para los periodos aireados, el oxígeno disuelto medido debe estar en un rango de 2 a 4 mg/l y para el periodo anóxico entre 0.5 y 1 mg/l, para que ocurran los procesos de oxidación biológica, nitrificación, desnitrificación y remoción de fósforo.
Gráfica 2. Ciclo de operación normal de un FPSBR
Fuente: Autores, 2007
El sistema intercambia micro ciclos de sedimentación tal como indica la gráfica 2 en la fase de aireación, para lograr el incremento de la oxidación biológica. Ya que esto permite al oxígeno disuelto disiparse y al nitrato ser usado por microorganismos consumidores, liberando de esta forma el nitrógeno. 2.2 Sedimentación. Una de las fases de mayor relevancia es la sedimentación en esta etapa se apaga el sistema de aireación para que ocurra la separación, por la acción de gravedad, del afluente tratado y el lodo activado. Durante esta fase ocurre la mayor parte de la desnitrificación ya que en la decantación ocurre una desnitrificación adicional simultánea a la remoción de efluente clarificado, en este momento, las fases precedentes han logrado la reducción de compuestos orgánicos (DBO5), mediante los procesos de oxidación biológica, nitrificación y desnitificación. 2.3 Decantación. Durante esta etapa el decantador es usado para remover el agua clarificada, con el sistema se retira aproximadamente el 20% del volumen efectivo en un tiempo promedio de 1 a 2 horas, según desee el operador aunque en el proceso se mantienen largos tiempos de descarga para no perturbar el manto de lodos y evitar el arrastre del lodo biológico. El sistema decantador fue instalado de tal manera que permite subir y descender con el nivel del agua en un rango de 10cm, extrayendo siempre el agua desde la superficie lo cual evita la generación de fuerzas ascendentes que generan turbulencia al interior del reactor provocando arrastre de sólidos suspendidos. La unidad decantadora presenta una serie de orificios que hacen las veces de vertedero de salida y simula un sistema de descarga de velocidad lenta que incorpora un sello positivo que evita el ingreso de sólidos que pudiesen taponar la unidad. Una vez el reactor ha sido decantado hasta la profundidad mínima de agua, la fase termina cerrando la válvula manualmente. Este nivel de agua mínimo se ha diseñado para mantener una concentración entre 2500 y 3500 mg/l de Sólidos Suspendidos de Licor mezclado SSLM. En la siguiente ilustración se puede apreciar el diseño del sistema de decantación A continuación se presenta un esquema general del reactor biológico de cargas secuenciales de flujo a pistón:
Grafica 1. Vistas laterales y de planta del FPSBR
Micro ciclos de
1hora de Sedimentación
Unive
3.1
Operahasta perman
ersidad de la
1 TANQUE
ción normalque se alcanecer al inter
a Salle. Bogo
MANUAL
DE ALIME
: Se vierte e
anza como mior del reacto
otá, Colomb
DE OPERAC
Fuen
ENTACIÓN
Objeto: Almacenar e
DimensioneLargo: 60 cmAncho: 40 cmProfundidad
Material de Polietileno d
l agua residumínimo un 8r las válvulas
bia. 2008
IÓN Y MANT
nte: Autores, 20
N
el agua residu
es: m m : 30 cm
construccióde alta densid
ual sintética a80% de la cs de aspiració
TENIMIENTO
007
ual sintética y
ón: ad
al interior del capacidad deón de las bom
O FPSBR
y homogeniza
tanque de ale este. Siembas dosificad
Fuente: A
Página
ar el caudal
limentación mpre deben doras. Autores, 2008
a 7
Unive
3.2 T
ObjetoDimenMateride doscheck Opera
I. II.
SIS
ersidad de la
UBERIA D
o: Conducir ensiones: Largal de constru
s flanches parde salida, mación normal
Verificar quConstatar qtubería.
STEMA DE ENTRADA VIS
a Salle. Bogo
MANUAL
E ALIMEN
l agua residugo: 200 cm ucción y accra la conexiónanguera de sa: e las conexio
que el agua re
STA PERFIL
otá, Colomb
DE OPERAC
TACIÓN Y
al sintética ha
cesorios: Parn a través de alida, flauta d
ones estén bieesidual fluye p
INTERSECCION DEPROVIENEN DE
FLAUTA D
bia. 2008
IÓN Y MANT
Y SALIDA
acia el interio
ra la totalidadlas paredes de entrada, te
en para prevepercibiendo la
E CAUDALES QUE E LAS BOMBAS
DE ENTRADA
TENIMIENTO
r del reactor
d del sistema del reactor (ede intersecci
enir posibles fa vibración qu
FLANCHE O UNION DEENTRADA AL REAC
TUBERIA DE SALID
O FPSBR
se utilizó PVCntrada – salidón de caudal
fugas. ue se genera
Fuente
E TUBERIA CTOR
MPLAST
DA
VALV
Página
C, además da), válvula ,
en la
: Autores, 2008
MANGUERA TICA DE SALIDA
VULA CHECK
a 8
8
Unive
3.3 B
Objetoregular DimenLargo: AnchoProfun Materiestable Operaa. Int
alimb. Coc. Rod. Ene. Ro
B
VAL
PULSAENCEN
ersidad de la
BOMBAS D
o: Dosificar unr entre 0 y 10nsiones: 15.35 cm : 9.15 cm didad: 16 cm
al de construe y una alturaación normalroducir la válvmentación. onectar la bomotar la manopncender la bomotar la manop
BOMBAS DOSIFICADORA
LVULA DE SUCCION V
ADOR NDIDO /APAGADO
MDE
a Salle. Bogo
MANUAL
OSIFICAD
n caudal cons0% del cauda
Cdeimes
ucción: Polipa máxima, resl: vula de inyec
mba al toma cla sobre el pamba. la de purga h
AS DE CAUDAL
VALVULA INYECCIÓN
MANOPLA REGULACION E CAUDAL
otá, Colomb
DE OPERAC
ORAS
stante, especal nominal.
apacidad deetermina a tr
mpuesta de ustado de la ac
propileno, la bspecto al fond
cción en el tan
corriente. anel frontal a
hasta su apert
bia. 2008
IÓN Y MANT
cial para caud
e la bombaavés de la veun 0 a 100%ctividad de la
bomba siempdo del contene
nque de
60%.
tura completa
TENIMIENTO
ales pequeño
a. La capacielocidad por
%. El LED sobomba.
re deber ser edor, de 1,5 m
a.
Alarmuna alaflueninstalaflotadode la b
O FPSBR
os con posib
idad de dosseñal de iny
obre el panel
instalada en umetros.
ma nivel: la blarma de nive
nte, verificar eación la actior para la dbomba.
Fuente: A
Página
ilidad de
sificación se yección, esta l muestra el
un soporte
bomba tiene el de falta de el manual de vación del esactivación
Autores, 2008
a 9
Unive
3.4 R
Objetosedimela biom DimenLargo: AnchoProfun Materireacció Operaa. Seb. Sec. Sed. Lu
dude
e. Se
VIST
FLAUT
ersidad de la
REACTOR
o: Alojar el entación y demasa para degnsiones: 120 cm : 30 cm didad: 50 cm
al de construón en acrílicoación normale purga y ence conectan loe apagan losuego del tieurante una ecantación. e repite el cic
REACTOR PRINC
TA LATERAL PANTAL
TA DE ENTRADA PASE
a Salle. Bogo
MANUAL
sustrato pa
ecantación; adgradar la mat
Funciondel reactagua fluyinferior, en contac
ucción: Estru. l: ciende la bomos sopladoress aireadores pmpo pruden1- 2 horas
clo.
CIPAL
LLA DE SELECCIÓN
ANTALLA DE ELECCION
otá, Colomb
DE OPERAC
ara que ocudemás de serteria orgánicaamiento: Ingtor, alojándosye hacia el fofinalmente incto con la biouctura genera
mba dosificados al toma de cpara dar iniciote se abre
para dar
bia. 2008
IÓN Y MANT
rran todas r el lugar don
a. gresa el aguase en la zonndo del reactgresa a la zo
omasa y se lleal en vidrio ma
ora. corriente. o a la sedimela valvula dinicio al pe
TENIMIENTO
las fases dnde se pone e
a residual sintna de pre-reator, atraviesa ona de reaccevan a cabo laacizo ø 10 m
ntación. de check riodo de
Bmeppm
O FPSBR
el tratamienen contacto e
tética por la pacción y post
la pantalla pión donde el as fases del tm, pantalla de
Bomba dosimanopla de laestar graduapara arrojar promedio de eml/s.
Fuente: A
Página
to, aireación
el sustrato con
parte superioteriormente eor su extremosustrato entratratamiento. e pre-
ificadora: laa bomba debeada en 60%
un caudaentrada de 2,3
Autores, 2007
10
n, n
or el o a
a e
% al 3
Unive
3.5
Objetodegradencuensoplad Dimen
•
•
MateriDifusorinterco Operaprendeaire reqnuevamtratami
MAN
BURBU
ersidad de la
SISTEMA
o: Proveer eldan la materiantran fijados ores, esta airnsiones:
Aireadores Largo: 15 cAncho: 10 cDifusores Largo: 40 cmAncho: 2 cm
al de construres: Piedra po
onectó estos dación normalen los aireadquerido por emente, a paiento.
PRIMER PLANO SISTEMA
NGUERAS D
UJA FINA
a Salle. Bogo
MANUAL
DE AIREA
aire suficiena orgánica, loen el fondo
reación cump
cm cm
m m
Sistem702 caplásticafondo d
ucción: Soplorosa y poliprdos sistemas.l. Al mismo tieores manual
el sistema, poartir del ciclo
A AIREACIÓN
DIFUSORES
otá, Colomb
DE OPERAC
ACIÓN
nte para la do cual se logra
del reactor eple una funció
ma de aireaciada uno cona a seis difusdel reactor, lo
adores: Polipropileno, adem. empo que semente y los
osteriormenteo estipulado
bia. 2008
IÓN Y MANT
emanda de oa por medio de interconectan de la mezc
ión: Cuenta cn dos salidassores de cer
os cuales distr
propileno y comás de una M
alimenta el rdifusores do se apagan y
para esta
TENIMIENTO
oxígeno de lde los difusoreados a travéla al interior d
con tres soplas, interconecrámica y basribuyen burbu
omponentes eManguera plá
reactor se osifican el y prenden
fase del
O FPSBR
os microorgaes de burbujas de mangue
del reactor.
adores Marcactados a unase plástica ubuja fina y unifo
eléctricos ástica de 3 m
Fuente: A
DETALDIFUSO
DETALLEAIREADOR
Página
anismos que a fina que se eras con los
a ATMAN T-a manguera bicada en el orme.
etros que
Autores, 2007
LLE ORES
E RES
11
Unive
3.6 D
Objetosistem
DimenLargoAlto. Mang
MatericalientsistemOperaconclucomiepuedela válevacusedimla entr
VISTA
VISTADECA
D
ersidad de la
DECANTAD
o: Durante esa se retira ap
nsiones: o. 28 cm 8 cm
guera. 10 cm
al de constre y la Mangua se utilizó caación normauida la etapaenza a evace variar segúnvula de salid
uación del líqmentado, la pa
rada constant
FRONTAL DEL DECANTA
A POSTERIOR ANTADOR
DETALLE ORIFICIOS DE S
a Salle. Bogo
MANUAL
DOR
sta etapa el proximadamen
Recomendque perm10cm, extgeneraciónreactor proproceso sperturbar e
rucción: El duera de 25 caucho. al. Se abre laa de sedimeuar el agua n decisión deda, ya que euido clarificadantalla de prete del afluente
ADOR HIDRAULICO
ALIDA
VISTA LATERAL DECANTADOR
otá, Colomb
DE OPERAC
decantador ente el 20% dedaciones: E
mite subir y drayendo siemn de fuerzas aovocando arrse deben mel manto de lodecantador fucentímetros q
a válvula checentación, el d
clarificada.el operario mel sistema gdo sin pertur
e-reacción gare no interfiera
FLOT
bia. 2008
IÓN Y MANT
es usado parel volumen efel sistema decdescender compre el aguaascendentes rastre de sóli
mantener largodos y evitar ue construido que intercone
ck una vez decantador Esta fase
anipulando arantiza la bar el lodo rantiza que a.
TADORES
TENIMIENTO
ra remover eectivo. cantador fue on el nivel dea desde la sque generendos suspend
gos tiempos el arrastre deen su totalid
ctó entre el d
Vertedero:presenta unhacen las vsalida y sdescarga dincorpora unel ingreso dtaponar la un
D
O FPSBR
l agua clarific
instalado deel agua en uuperficie lo c turbulencia a
didos. Sin emde descarg
el lodo biológidad en PVC decantador y
La unidad dna serie de oveces de veimulan un e velocidad
n sello positivde sólidos qunidad.
Fuen
TUBERIASALID
DETALLE PERDECANTADO
Página
cada, con el
e tal manera un rango de cual evita la al interior del
mbargo en el ga para no co. para tubería la salida del
decantadora orificios que rtedero de sistema de
lenta que vo que evita ue pudiesen
nte: Autores, 200
A DE DA
RFIL OR
12
08
Universidad de la Salle. Bogotá, Colombia. 2008 Página 13
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
4. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO
PROTOCOLO DE ARRANQUE Y OPERACIÓN DE LA UNIDAD
La operación del sistema es sumamente sencillo involucra el siguiente procedimiento:
I. Llenar el tanque de alimentación con el agua residual sintética, verificando que se alcance un mínimo del 80 % de la capacidad del tanque.
II. Calibrar el flujo de salida de las bombas dosificadoras, rotando la manopla
de regulación hasta la posición indicada y posteriormente prenderlas. El equipo comenzara a funcionar inmediatamente. Las bombas puede que no funcionen en caso si queda algo de aire en las mangueras por eso se recomienda purgarlas una vez encendidas.
III. A media que aumenta el volumen en el reactor, Se encienden los
sopladores por el tiempo estipulado en los ciclos del tratamiento, para permitir la mezcla del agua no tratada con la biomasa existente en el reactor y cumplir con la demanda de oxigeno requerida.
IV. Apagar los sopladores y permitir la sedimentación, separándose los sólidos
del líquido por medio de la fuerza gravitacional.
V. Al terminar la sedimentación, el agua clarificada es decantada como efluente final.
Si va a realizar un proceso de inoculación se recomienda utilizar un lodo biológico que se encuentre en condiciones ambientales similares al sitio de ubicación del FPSBR, para disminuir el tiempo de aclimatación.
Universidad de la Salle. Bogotá, Colombia. 2008 Página 14
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
5. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS En la siguiente tabla podemos encontrar una serie de problemas que pueden surgir en el reactor, sus posibles causas y soluciones.
PROBLEMA POSIBLE CAUSA SOLUCIÓN SUGERIDA
La bomba no enciende
• La bomba no esta conectada • El fusible de protección se fundió
• Conectar la bomba a la red eléctrica.
• Cambiar el fusible por otro.
La bomba no dosifica pero el magneto da golpes
• El filtro de fondo esta obstruido • El tubo de aspiración esta vacio • El producto utilizado genera gas
• Limpiar el filtro de fondo • Proceder a desatascar la bomba • Abrir la rosca de purga y hacer
salir el aire La bomba no dosifica y el magneto
no golpea • Posible precipitado que obstruye
las válvulas. • Limpiar las válvulas e intentar que
circule 2-3 litros de agua.
Patrones de mezcla no uniformes
• Posible atascamiento de los difusores
• La tasa de aireación es muy alta o muy baja para el apropiado funcionamiento del sistema
• Cambiar el difusor • Ajustar el flujo del aire para
mantener le oxigeno en la tasa apropiada
Espuma blanca
• Concentración de SSLM baja y relación F/M alta
• Ajustar los flujos de aire del sistema de aireación
• Inocular lodos activados que funcionen bien
Espuma marrón • Operación con relación F/M baja
• Incrementar la relación F/M
Espuma negra • Aeración insuficiente • Incrementar la aireación
Abultamiento del lodo
Si hay presencia de microorganismos filamentosos • Baja concentración de OD • Insuficiencia de nutrientes • pH y temperatura inapropiados No hay presencia de microorganismos filamentosos • Carga orgánica inapropiada • Sobre aireación
• Incrementar la aireación • Incrementar los nutrientes • Controlar las condiciones del lodo • Controlar la relación F/M • Ajustar los niveles de aireación.
Disminución en eficiencia (no suministro de O2)
• Avería de soplador • Taponamiento de las mangueras
• Sustitución o reparación de la unidad averiada
Mayor concentración de carga contaminante en el fondo del reactor,
estancamiento y colmatación
• Avería de los difusores • Afectación y desgaste de
estructuras. • Avería de soplador
• Sustitución o reparación de la unidad averiada.
• Encendido de bomba alterna (stand by)
• Mantenimiento del lugar Fuente: Autores, 2008
Universidad de la Salle. Bogotá, Colombia. 2008 Página 15
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
6. MANTENIMIENTO PREVENTIVO Para un apropiado funcionamiento de la planta es esencial el mantenimiento y limpieza de la planta. La mejor forma de lograrlo es llevar una rutina de tareas y registro de datos.
COMPONENTE TAREA FRECUENCIA
Tanque de alimentación
• Lavar las paredes internas del tanque evitando dejar residuos que puedan taponar las mangueras de alimentación de las bombas.
• Control del volumen de ARD en el tanque de alimentación
Anualmente Diariamente
Bombas dosificadoras
• Verificar que las conexión eléctrica e hidráulica este integra
• Verificar la correcta conexión de las manguera para evitar perdidas
• Desmontado, revisión y/o reemplazo de bombas • Purgar las bombas
Semanalmente Semanalmente Anualmente Semanalmente
Tubería de alimentación y
salida
• Verificar las conexiones con los diferentes accesorios • Limpiar la superficie externa de las tuberías
Semanalmente Mensualmente
Reactor
• Verificar condiciones (Temperatura, pH y O.D.) • Extraer muestras para la determinación de SSLM y Ssed • Control ocular • Análisis de la DQO salida • Conteo microscópico de microorganismos
Diariamente Diariamente Diariamente Semanalmente Mensualmente
Sistema de aireación
• Verificar la expulsión de aire en los difusores • Cambiar los difusores • Desmontado, revisión y/o reemplazo los sopladores • Cambiar las mangueras que transportan el aire desde el
soplador hacia el difusor.
Diariamente Semestralmente Mensualmente Semestralmente
Decantador
• Limpiar los orificios de salida • Verificar el correcto funcionamiento del flotador • Desmontado, revisión y/o reemplazo del decantador
Semanalmente Mensualmente Anualmente
Fuente: Autores, 2008
Universidad de la Salle. Bogotá, Colombia. 2008 Página 16
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO FPSBR
INFORMACION GENERAL PARA LA SEGURIDAD
¡LEA ESTO CON ATENCION!
Ante una emergencia de cualquier naturaleza donde este instalado el reactor FPSBR, es necesario cortar inmediatamente la corriente y desconectar las bombas dosificadoras y los aireadores de la toma de corriente.
No utilizar productos químicos cerca al reactor.
Mantener el área despejada y en totales condiciones de asepsia.
La asistencia en el mantenimiento y operación del reactor debe ser efectuada por personal cualificado.
Antes de realizar cualquier operación en el sistema de tratamiento, usar bata, tapa bocas, cofia y guantes, teniendo en cuenta que la seguridad es necesaria mientras se manipula el reactor.
Verificar a diario posibles fugas en las tuberías, en caso de identificar inconsistencias, corregir inmediatamente o avisar al personal técnicos encargado.
Asegúrese que no existan taponamientos en las tuberías plásticas de las bombas dosificadoras de caudal.
Cuidado desconecte el suministro de aire antes de realizar tareas de mantenimiento sobre los equipos.
Asegúrese de que TODOS los componentes y conexiones utilizados en el sistema sean adecuados para soportar las presiones a las que van a estar sometidos.
Si va a cambiar de ubicación las bombas de dosificación asegúrese que permanezcan inclinadas 90°c con respecto de la horizontal.
Este manual es útil en algunos aspectos únicamente cuando el sistema es alimentado con agua residual sintética, si va utilizar otra fuente de alimentación se recomienda involucrar un tratamiento previo de filtración.
