MODELO FÍSICO DE LODOS ACTIVADOS PARA LA DETERMINACIÓN DE CONSTANTES CINÉTICAS

Blanco S. Henry A.* López L. Eudoro E.Planta Experimental de Tratamiento de AguasFacultad de Ingeniería – Universidad Central de VenezuelaApartado 48264* - 47008Los Chaguaramos, Caracas 1041 – AVenezuelaTeléfono – Fax 582-6931061E-mail: Rals@ etheron.net mvnajul@etheron.net

Palabras Claves: Modelo Físico, Lodos Activados, Cinética, Constantes Cinéticas, Escala Laboratorio

INTRODUCCIÓN

El diseño de los sistemas de lodos activados ha evolucionado en el tiempo, partiendo durante los años veinte de los criterios de carga, hasta el

modelaje dinámico en la actualidad, pasando por el comportamiento y estudio cinético haciendo uso de modelos físicos a escala, los cuales permiten la

determinación de las constantes Y, coeficiente de productividad; k, tasa máxima específica de utilización del sustrato; Ks, constante de saturación y kd ,

constante de decaimiento endógeno.

Estos parámetros cinéticos dependen fundamentalmente del líquido residual, así como de las condiciones ambientales, lo cual trae como

consecuencia que los valores reportados en la bibliografía foránea deben ser evaluados con cuidado, ya que en algunos casos pueden ser inaplicables.

Por esta razón se hace necesario su determinación para condiciones particulares locales y, por ende, la metodología a emplearse debe ser, en la

medida de lo posible, sencilla, práctica y económica.

En la literatura revisada, los trabajos sobre los estudios cinéticos concretan su exposición a los resultados obtenidos al evaluar el sistema de

lodos activados bajo condiciones particulares, en las cuales se hace necesario el control de variables operacionales y ambientales. Cuando el objetivo

planteado en la evaluación de un modelo físico es la obtención de parámetros cinéticos para el diseño de la escala real, es necesario simular lo mejor

posible las condiciones reales a las cuales va a estar sometido el prototipo, más aún si se pretende que la obtención de estos parámetros se realice a

través de modelos físicos a escala laboratorio. Bajo este esquema de trabajo es poco lo que se encontró en la bibliografía.

Esta es la razón por la cual el trabajo está dirigido a presentar y evaluar una propuesta de metodología a utilizar para la evaluación de un

modelo físico a escala laboratorio, con el fin de contribuir a llenar parte del vacío metodológico.

Asimismo se intenta establecer pautas para la evaluación de un modelo físico, el cual pueda ser utilizado en el estudio y determinación de los

parámetros cinéticos para el diseño de los sistemas reales o prototipo. De allí que se hayan previsto los siguientes objetivos específicos:

• Revisión de los diferentes modelos físicos de lodos activados a escala laboratorio y metodología de evaluación para plantear y definir una

propuesta sencilla y de fácil manejo.

• Evaluación del modelo físico para diferentes condiciones de tiempo de retención hidráulico y celular, a fin de observar y analizar los factores

que condicionan su funcionamiento.

• Proponer una metodología de evaluación, con ayuda de las experiencias previas presentadas en la literatura, que garantice posteriormente la

determinación de los parámetros cinéticos con cierto grado de precisión.

ANTECEDENTES

La metodología de diseño para sistemas de lodos activados ha sufrido cambios y en la actualidad el uso de cargas volumétricas y expresiones

empíricas pareciera estar restringida, siendo el estudio cinético a través de la determinación de los respectivos coeficientes y el modelaje dinámico lo

que está vigente. Sin embargo, las ventajas y desventajas para cada caso específico determinan su implantación, sobre todo en el caso de los modelos

dinámicos de simulación, donde se requieren suficientes datos estadísticos de buenas condiciones de operación de los sistemas. Es por ello que en

situaciones como las de Venezuela, donde esta data no existe, al menos en lo que a aguas residuales municipales se refiere, es de suma importancia

establecer metodologías sencillas que permitan determinar los coeficientes cinéticos necesarios para el diseño de sistemas de lodos activados cuando

éste lo prevea. Una vez que existan sistemas en operación adecuada, se podrá evaluar la aplicabilidad de los modelos dinámicos y gozar de los

comentados beneficios.

Una síntesis de los estudios revisados en la literatura presenta que en la década de los años setenta, se utilizaron reactores por carga y

quimiostatos para la evaluación de la cinética de crecimiento, incluso se obtuvieron resultados que son comparables con las expresiones matemáticas

(Verhoff y Tenney, 1972; Andrews et al, 1977) y se recomienda su uso para concentraciones altas de biomasa y bajas en sustrato (Blok, 1974). En

algunos casos se prefieren los sistemas continuos, incluso con la incorporación de reciclo, ya que se plantea que bajo estas condiciones existe una

relación más estrecha y se obtienen valores más reales para los parámetros de diseño de las plantas prototipo (Chiu et al, 1972).

Para la década de los años ochenta se nota el uso intensivo de modelos físicos continuos con recirculación y en algunos de ellos se concluye

que los resultados son buenas estimaciones que pueden ser utilizadas para el diseño y servir para realizar modificaciones en las plantas prototipo

(Beltrame et al, 1980; Vasicek, 1982; Lovett et al, 1984; Daigger et al 1985). Otros estudios se limitan a obtener resultados y concluir sobre el efecto de

una situación particular en una condición específica, como por ejemplo, interferencia o remoción de compuestos tóxicos, influencia de los tiempos de

retención celular e hidráulica, causas de “bulking” , entre otros (Suschka, 1980; Sujarittanouta y Sherrad, 1981; Qasim et al, 1982). En este período se

encontraron pocos trabajos utilizando reactores por carga, y los mismos están dirigidos a la obtención de constantes cinéticas u otros parámetros que

permiten la simulación dinámica (Clifft y Andrews, 1981; Nichollo, 1982). Incluso en algunos casos se combinan con sistemas continuos (Nelson et al,

1981).

En la década de los noventa, se encontraron pocos estudios de lodos activados con relación a los otros sistemas de tratamiento, sobre todo los

de tipo anaerobio, y la mayoría de ellos están dirigidos a los modelos dinámicos, basados en registros estadísticos de sistemas prototipo existentes y

operando adecuadamente, restringiendo el uso de los modelos físicos continuos con recirculación a casos particulares, específicamente en lo que a

efluentes industriales se refiere, donde la cinética es diferente y no pareciera sencillo evaluarla a través de un modelo dinámico de simulación. (Versteeg

y Woltering, 1990; Hwa Tay, 1990; Dautant, 1992; Schiwihs, 1992; Pavlostathis y Morrison, 1994; Rincones, 1995; Inostroza y Ramírez, 1996). Se

presentan en este lapso pocos casos de reactores por carga y combinación con sistemas continuos, donde incluso se afirma la factibilidad de uso de los

resultados en las plantas prototipo (Hobson y Milles, 1990; Strichan et al, 1990; Argaman, 1991; Carucci et al, 1996). Asimismo se presentan algunas

experiencias trabajando directamente con la escala prototipo, ya que se plantea que algunas condiciones no pueden ser simuladas en escala laboratorio

y piloto (Chapman, 1990; Tench, 1994).

En la Tabla 1 se presentan algunos de los modelos físicos de lodos activados encontrados en la bibliografía bajo la denominación de escala

laboratorio, y se observa que hay una amplia variación en sus dimensiones, lo cual lleva a pensar que no hay uniformidad de criterios para la

denominación de la escala, al menos en cuanto a capacidad se refiere. Otro de los aspectos observados es que la mayoría de los modelos han operado

con sustrato sintético.

Tabla 1. Características de Modelos Físicos a Escala Laboratorio de Lodos Activados Reportados en la Bibliografía

Autor(Año) Caudal

(L/D)Objetivo de laInvestigación

Tipo deSustrato

Origen deLa Biomasa

DisposiciónDe Las

Unidades

VolumenAerador

(L)

Mecanismo deAeración y Mezcla

VolumenSedimentación

(L)Recirculación

Engberbg ySchoeder(1975)

Laboratorio(12)

Desnitrificación y θc Sintético(Nitratos)

PlantaARM

Separadas 3 Inyección de N2 pormedios porosos

2,5 Bombeointermitente

Bohac ySierka(1978)

Laboratorio(NR)

Influencia del aguaresidual doméstica

concentrada

Preparacióncon heces,orina, etc.

PlantaARM

Compacta(Separadas

con tabique )

2,7 Aire comprimido 1,0 Gravedad (Reciclointerno porabertura)

Thèrien yPerdrieux(1981)

Laboratorio(3,5)

Comportamiento delproceso mediantedeterminación decarbono orgánico

Sintético(Glucosa) eindustrial deuna textilera

PlantaARI

Separadas 27 Aire comprimido Ajustable entre20 - 30 (Forma

piramidal)

Bombeo cíclicoautomatico

Sujarittanoutay Sherrard(1981)

Laboratorio(14,5)

Estudio de toxicidad delNíquel

Sintético conNíquel

PlantaARM

Compacta(Separadascon tabique)

6,0 Aire comprimidofiltrado

2,5 Gravedad (reciclointerno porabertura)

Knudson et al(1982)

Laboratorio(4,4)

Influencia del oxígenodisuelto en la utilización

del sustrato

Sintética(Fenol, N y P)

PlantaARM

Compacta 2,2 Aire comprimido,oxígeno y nitrógeno

0,56 Gravedad (reciclointerno porabertura)

Qasim et al(1982)

Laboratorio(35)

Dosis óptima de unproducto comercial de

cultivo bacteriano

Agua residualmunicipal

sedimentada

Bacteriasliofilizadas

Compacta(Separadascon tabique)

10,9 Aire comprimido 0,9 Gravedad(manejo tabique)

Hernández, M.y Sánchez, J.(1983)

Laboratorio(144 -201)

Tratabilidad del efluentede una planta productora

de sintéticos

Agua residualindustrial

PlantaARI

Compacta 36 y 58,8 Aire comprimido 4,56 y 6,72 NA

Lovett et al(1983)

Laboratorio(3,2 - 7,5)

Efecto de θc ycomposición del sustratoen las características del

lodo

Productoalimenticio para

simular aguaresidual

PlantaARI

(Matadero)

Compacta 9 Aire comprimido yagitación mecánica

1 Gravedad (reciclointerno porabertura)

Daigger et al(1985)

Laboratorio(48 - 80)

Diseño de selector parael control de “bulking”

Agua residualmunicipal

sedimentada

PlantaARM

Separadas 20 Aire comprimido yagitación mecánica

13 Bombeo

Versteeg yWoltering(1990)

Laboratorio(23,9)

Evaluación de toxicidadpor detergentes en eltratamiento de aguas

Agua residualdomésticaindustrial

PlantaARM

Separados 6 Aire comprimido 2 Bombeo

Joo-Hwa Tay(1990)

Laboratorio(34,5)

Tratamiento del efluenteindustrial de procesadora

de granos de soya

Agua residualindustrial previo

desbaste

NR Compacta(Separadaspor tabique )

11,5 Sopladores de aire 2,8 Gravedad (reciclointerno porabertura)

Patoczka et al(1990)

Laboratorio(14,5)

Diseño de un selectorpara control de “bulking”

Sintético(Glucosa)

NR Compacta 14,5 Aire comprimidointermitente y N2

NA NA

Schiwihs(1992)

Piloto(56,7)

Tratamiento de efluentesde matadero de aves

Agua residualindustrial

Bacteriasliofilizadas

Separadas 70 Aire comprimido 20 Bombeo

Pavlostathis yMorrison(1994)

Laboratorio(9,8)

Tratamiento de efluentesde una procesadora

fotográfica

Sintético yAgua residual

industrial

PlantaARM

Separados(Cilindricos y

cónicas)

3,28 Aire comprimido 1 Bombeo

Rincones, M.(1995)

Laboratorio(28,8 -86,4)

Tratamiento de efluentesde una procesadora de

pulpa de papel

Agua residualindustrial deuna papelra

Formado enel reactor con

ARM

Compacta 30 Aire comprimido 10 Gravedad (reciclointerno porabertura)

NR: No se Reporta; NA: No Aplica: ARM: Agua Residual Municipal; ARI: Agua Residual Industrial

METODOLOGÍA

Descripción del modelo físico de Lodos Activados

El modelo físico de lodos activados a escala laboratorio utilizado en esta

investigación es el que presenta Rincones (1995), el cual consiste en un tanque rectangular

de vidrio, de 0,60 m de largo, 0,25 m de ancho y 0,35 m de altura total, con un volumen útil

de 40 l aproximadamente, de los cuales 30 l corresponden al reactor o tanque de aireación y

10 l al sedimentador secundario. El tanque de aireación es un prisma con base trapezoidal y

el sedimentador una pirámide truncada no simétrica. (planta y perfil de la Figura 1). Una de

las ventajas de este modelo es que su capacidad es relativamente superior a la mayoría de

los presentados en la bibliografía, denominados a escala laboratorio. (Tabla 1)

La comunicación del tanque de aireación con el sedimentador, y la salida del sistema

se realiza a través de orificios de 5 mm de diámetro, ubicados en la parte superior de los dos

tabiques inclinados que forman el sedimentador (ver corte B-B y C-C en la Figura 1). En la

parte media del tabique inicial del tanque de aireación existe también un orificio 5 mm de

diámetro con una manguera que permite la extracción del licor mezclado (corte A-A de la

Figura 1). La recirculación del lodo se realiza a través de una abertura transversal de 3,0 cm

de alto (corte B-B de la Figura 1)

El aire se suministra por un pequeño soplador a través de difusores porosos. La

distribución se realiza mediante un dispositivo con tres (3) conductos de vidrio, los cuales se

disponen de forma tal que permiten la distribución uniforme del aire que ingresa al reactor. A

la conexión de entrada se adapta un conducto de vidrio (φ 5 mm) en forma de L invertida, el

cual llega hasta la parte media de la profundidad, con el objeto de minimizar la formación de

cortocircuitos y garantizar la buena mezcla del agua cruda con la biomasa que se encuentra

en el reactor (Figura 2).

Inicialmente la alimentación al sistema de realizaba mediante una manguera de 20

mm de diámetro conectada directamente a la fuente de agua cruda, proveniente del colector

municipal, con el objeto de mantener un caudal constante. Una reducción a 5 mm permitía

su adaptación a la entrada del modelo. Posteriormente, por problemas operacionales, fue

necesaria la utilización de un tanque cilíndrico de 60 l de capacidad, con la conexión en la

parte inferior de 5 mm de diámetro.

Medidas en centímetros

Figura 1. Planta, Perfil y Cortes del Modelo Físico de Lodos Activados

Medidas en centímetros

Figura 2. Dispositivos de Entrada y Aeración del Modelo Físico de Lodos Activados

El efluente del modelo o agua tratada se recolecta en un tanque de sección

cuadrada, de 0,5 x 0,5 m, con una capacidad aproximada de 100 l. La muestra compuesta

del afluente al modelo se acumula en un tanque de 50 l. La Figura 3 muestra todo el sistema,

integrado por el tanque de alimentación, el modelo de lodos activados, el tanque de

recepción de agua tratada y el tanque para la muestra compuesta del afluente.

Figura 3. Esquema del Sistema de Lodos Activados

Operación y evaluación del modelo físico

El sistema se alimentó con agua residual municipal, proveniente del Colector

Marginal Izquierdo Río Valle, el cual recolecta aguas residuales domésticas e industriales,

así como aguas de lluvia. Este colector sirve a un sector del sur oeste del área metropolitana

de Caracas.

El inóculo o biomasa utilizada inicialmente en el modelo a escala laboratorio se

obtiene de un sistema de lodos activados a escala piloto, ubicado en la Planta Experimental

de Tratamiento de Aguas, Universidad Central de Venezuela, el cual se alimenta con el

mismo líquido residual.

La operación del sistema consistió en la alimentación diaria del modelo con agua

residual cruda (sin sedimentación primaria) y la recolección del agua tratada en el tanque de

recepción. La determinación del caudal de operación se obtiene a partir de la medición de

altura de agua tratada en el tanque de recepción de sección cuadrada, donde se acumula el

volumen diario de agua tratada. De esta forma se obtiene el caudal promedio y se garantiza

representatividad del resultado.

Para la evaluación se captaron muestras compuestas de 24 horas del afluente y

efluente e instantáneas en el reactor. La muestra compuesta del afluente se captó a través

de una derivación (tee) de la manguera de entrada al modelo proveniente del tanque de

alimentación, y se acumuló durante el período de captación en un recipiente a temperatura

ambiente (Figura 3). En algunas oportunidades se presentó variación de la cantidad de agua

de entrada al recipiente de la muestra compuesta, así como al modelo. La muestra del

efluente se captó directamente en el tanque de recepción, una vez medida la altura de agua,

el cual también se encontraba a temperatura ambiente. Es importante mencionar la

necesidad de agitación de las muestras para resuspender posible material sedimentado

durante el período de captación y lograr su representatividad.

El tiempo de residencia celular se controlaba mediante la extracción en forma

instantánea de un volumen de licor mezclado correspondiente al caudal de exceso,

directamente del reactor, el cual se utiliza para las determinaciones de sólidos sedimentables

y sólidos suspendidos volátiles cuando corresponde. Es importante mencionar que el

volumen extraído del reactor no se recupera con agua de chorro, como lo plantean Metcalf y

Eddy (1979), Qasim et al (1982) y Lovett et al (1983).

Se realizaron determinaciones de parámetros físico-químicos de control rutinario en

el reactor, temperatura, pH, oxígeno disuelto y sólidos sedimentables, realizados con una

frecuencia diaria o interdiaria, medidos los tres primeros a través de electrodos directamente

en el reactor. El conocimiento de estos parámetros permitió hacer un seguimiento y control

general del sistema. Adicionalmente se realizaron determinaciones de contenido de material

orgánico, específicamente Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) y Demanda Química de

Oxígeno (DQO) en el afluente y efluente del sistema, así como sólidos suspendidos volátiles

en el reactor o licor mezclado (SSVLM). Al final de cada una de las condiciones de operación

se realizaron determinaciones de nutrientes, específicamente nitrógeno en todas sus formas

y ortofosfatos. La metodología analítica utilizada en la determinación de cada uno de los

parámetros analizados, se basó en los métodos estandar APHA-AWWA-WEF Standard

Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19º,18º,16º Edition.

Para evaluar el sistema se procedió a fijar en cada período o etapa un tiempo de

retención hidráulico (θ), que determinó el caudal de agua cruda a utilizar (Q), y un tiempo de

residencia celular (θc), que definió el caudal de licor mezclado a extraer del reactor (Qw). En

cada etapa fue necesario evaluar su estabilidad, lo cual se hizo utilizando el criterio de

remoción constante en términos de DQO, tal como lo presenta Qasim et al (1982), y no

cuando la DQO en el efluente se hace constante (Lovett et al, 1984). Esta diferencia no es

significativa cuando el tipo de sustrato utilizado es sintético, ya que la concentración de

entrada es la misma en todas las oportunidades, no así cuando la alimentación proviene

directamente de un sistema cloacal, donde hay variabilidad en el sustrato que entra al

modelo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Tabla 2 se presentan las condiciones generales bajo las cuales se obtuvo la

biomasa en el sistema de lodos activados a escala piloto, utilizado como inóculo en el

modelo a escala laboratorio. En la Tabla 3 se presentan los tiempos de retención hidráulico

(θθ) y de residencia celular (θθc) con los respectivos caudales promedio de agua cruda y de

extracción del licor mezclado. En el caudal afluente al sistema se presenta la desviación

estándar, y el tiempo de retención hidráulico corresponde al promedio obtenido durante el

período de evaluación, los cuales fueron fijados previamente tomando como guía los

reportados en la bibliografía y ajustando a medida que transcurría la evaluación, de acuerdo

a las observaciones realizadas. Se observa que θ varió entre 25 y 8 horas, con lo cual se

cubren las modalidades aireación extendida, convencional y alta rata, de acuerdo a Metcalf

& Eddy (1990).

Tabla 2Algunos Parámetros que Caracterizan la

Formación de la Biomasa Utilizada como Inóculo en elSistema de Lodos Activados a Escala Laboratorio

Parámetro Rango Promedio yDesviación Estandar

Valores Metcalf& Eddy (1991)

DBO5 (mg/l) * 82 – 312 140 ± 55 110 – 400

DQO (mg/l) * 138 – 794 339 ± 148 250 - 1000

SSVLM (mg/l) 34 – 932 398 ± 237 1500 – 10000

*El agua residual que alimenta al sistema es de origen municipal y proviene del Colector Marginal Izquierdo delRío Valle, Area Metropolitana de Caracas.Las muestras para determinación de DBO5 y DQO son instantáneas, captadas al momento de llenado del reactor.Operación por Carga

Tabla 3Tiempo de Retención Hidráulico (θ) y Tiempo de Residencia Celular (θc)

Sistema de Lodos Activados Escala Laboratorio

ETAPA PERÍODO Q ±± σσ (l/d) θθ (h) θθC (d) QW (l/d)

0 16-10-95 al 03-11-95 29,1 ± 13,5 24,7 ∞ 0

1 04-11-95 al 12-11-95 30,3 ± 13,9 23,8 30 1

2 21-11-95 al 08-12-95 33,7 ± 9,9 21,3 30 1

3 09-12-95 al 20-12-95 40,4 ± 6,5 17,8 30 1

4 04-01-96 al 25-01-96 49,9 ± 12,4 14,4 15 2

5 26-01-96 al 16-02-96 86,6 ± 23,1 8,3 15 2

En la Tabla 4 se presenta el rango de los parámetros de control: temperatura (T),

pH, oxígeno disuelto (OD) y sólidos sedimentables (SS), para cada etapa evaluada, se

observan variaciones significativas en oxígeno disuelto y sólidos sedimentables. En las

Figuras 4 y 5 se presentan histogramas de frecuencia de temperatura y pH respectivamente,

donde se observa que la temperatura más frecuente está entre 21 y 22 ºC y el pH entre 7,2 y

7,7. Estos valores están en el rango contemplado para un buen desarrollo de los

microorganismos, por lo cual no dificultó el crecimiento y desarrollo de la biomas durante la

evaluación del sistema. La temperatura concide con el rango de los valores reportados en la

literatura (20 ± 2ºC), aún cuando en muchos casos se controla este parámtero en las

experiencias. Asimismo el pH que se reporta está entre 6,5 y 7,5, por lo cual este parámetro

también se encuentra dentro del rango favorable para el crecimiento bacteriano.

Tabla 4Parámetros de Control Diario en el Tanque de Aireación

Sistema de Lodos Activados Escala Laboratorio

ETAPA PERÍODO T (ºC) pH OD (mg/l) SS (ml/l)

0 16-10-95 al 03-11-95 19 - 24 7,2 - 8,0 1,8 - 6,8 16 - 270

1 04-11-95 al 10-11-95 20 - 25 7,3 - 7,5 3,0 - 5,2 150 - 350

2 21-11-95 al 08-12-95 19 - 23 7,4 - 7,8 5,2 - 6,6 80 - 400

3 09-12-95 al 21-12-95 20 - 23 7,4 - 7,9 5,0 - 6,6 40 - 200

4 04-01-96 al 25-01-96 21 - 24 7,2 - 7,9 0,5* - 7,0 47 - 150

5 26-01-96 al 16-02-96 21 - 24 7,0 - 7,5 0,4* - 5,6 150 - 750

• Valores presentados sólo en una oportunidad

0

5

10

15

20

25

Temperatura (ºC)

Fre

cuen

cia

19 20 21 2 23 2 25

Figura 4. Histograma de Frecuencia de Valores de Temperatura

0

2

4

6

8

10

12

pH

Fre

cuen

cia

7,0 7,1 7,37,2 8,07,97,8

7,77,67,57,4

Figura 5. Histograma de Frecuencia de Valores de pH

Los resultados de DQO afluente y efluente del sistema, así como los porcentajes de

remoción que refieren su estabilidad en cada etapa, variaron entre 50 y 80%, siendo 70% el

valor predominante en el transcurso de la evaluación del sistema, aumentando hasta 80% en

la etapa 4, antes de presentarse los problemas de “bulking” en la biomasa. La Figura 6

permite visualizar la variación en el tiempo de los valores de DQO afluente y efluente,

caracterizando el contenido orgánico total, tanto del agua cruda como del agua tratada,

donde se aprecia que existe variabilidad en la alimentación, condición contraria a la

reportada en la literatura consultada, donde se utiliza sustrato sintético en la mayoría de los

casos.

Adicionalmente dicha concentración es inferior a la reportada por Metcalf & Eddy

(1990) para agua residual débil, lo cual indica un líquido residual bastante diluído (ver Tabla

2). Esta situación debe ser considerada en la evaluación, tomando en cuenta la escala, ya

que no necesariamente esta baja carga orgánica se asocia con baja concentración de

biomasa, sobre todo porque la recirculación del modelo es bastante efectiva. Estas

condiciones, tanto de calidad de agua cruda, como de la operación y funcionamiento del

modelo físico, deben ser consideradas al momento de hacer comparaciones con otras

escalas y realizar la extrapolación de los resultados, ya que se observa que para una misma

calidad de la alimentación, la biomasa es bastante mayor en el modelo a escala laboratorio

que en el piloto, tal como se observa en las Tablas 2 y 5.

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5Etapa

DQ

O (

mg/

l)

Figura 6. Variación de la DQO en el Sistema de Lodos Activados

En la Tabla 5 se puede observar la variación de la concentración de sólidos

suspendidos volátiles del licor mezclado (SSVLM), los cuales se encuentran entre 300 y

1400 mg/l, presentando variaciones apreciables en el tiempo, similar a las variaciones del

sustrato, situación que refleja que el crecimiento de la biomasa depende funadamentalmente

de la carga aplicada (Suschka,1980) y que dificilmente este parámetro puede ser utilizado

como indicador de estabilidad del sistema. Adicionalmente los valores son inferiores a los

reportados en la literatura (Tabla 2)

Afluente Efluente

Tabla 5Sólidos Suspendidos Volátiles del Licor MezcladoSistema de Lodos Activados Escala Laboratorio

ETAPA PERÍODO FECHA SSVLM (mg/l)

016-10-95

al03-11-95

20-10-9527-10-9503-11-95

3041284690

1 04-11-95 al 10-11-95 10-11-95 5502 21-11-95 al

08-12-9504-12-9508-12-95

986374

3 09-12-95 al21-12-95

14-12-9521-12-95

506552

404-01-96

al25-01-96

04-01-9623-01-9625-01-96

6901126596

525-01-96

al16-02-96

01-02-9603-02-9610-02-9615-02-9616-02-96

1424862

10321156796

En el desarrollo de las etapas 3, 4 y 5 se realizaron análisis de DQO y DBO5 a

muestras instantáneas al inicio y final del período de alimentación. Los resultados se

presentan en la Tabla 6, donde se observa la diferencia entre los valores obtenidos en las

muestras compuestas e instantáneas, siendo ésta más significativa en términos de DQO que

en DBO5

Tabla 6Variabilidad del Contenido de Materia Orgánica en el Líquido de Alimentación.

Sistema de Lodos Activados Escala Laboratorio

FECHA TIPO DE MUESTRA DQO (mg/l) OBSERVACIONES16-12-98 Instantánea 384 Captada al inicio17-12-95 Compuesta (24h) 218 -20-12-95 Instantánea 352 Captada al inicio21-12-95 Compuesta (24h) 166 -

FECHA TIPO DE MUESTRA DBO5 (mg/l) OBSERVACIONES24-01-96 Instantánea 80 Captada al inicio25-01-96 Compuesta (24 h) 55 -25-01-96 Instantánea 70 Captada al final15-02-96 Instantánea 150 Captada al inicio16-02-96 Compuesta (24h) 80 -

Estos resultados muestran las restricciones y limitaciones de utilizar la DBO y DQO

de muestras compuestas como parámetros para determinar el contenido orgánico en la

alimentación de los modelos físicos, ya que se evidenciaron las alteraciones ocurridas en las

muestras. Esto es importante considerarlo ya que estos parámetros son básicos y

fundamentales en la evaluación de un sistema de este tipo. Por esta razón es importante

considerar el tipo de muestra y muestreo que debe utilizarse en las metodologías de

evaluación de modelos a escala, sobre todo cuando se utilizan sustratos no sintéticos.

Finalmente en la Tabla 7, se presentan los resultados obtenidos en cada una de las

etapas, donde se observan remociones significativas de DBO, relaciones F/M y

concentración de SSLM relativamente inferiores a los presentados por Metcalf & Eddy, 1990,

e IVL que indican condición de “bulking” , cuando ésta no existía. Todo ello lleva a ratificar la

necesidad de evaluar las condiciones particulares en cada caso, así como a definir muy bien

lel modelo físico y la metodología a utilizar para la evaluación de la cinética en un sistema de

lodos activados.

Tabla 7Parámetros de Operación en cada Etapa

Sistema de Lodos Activados Escala Laboratorio

ETAPA Q(l/d)

SSR (ml/l)

SSLM(mg/l)

IVL(ml/g)

DBO5 a(mg/l)

SSVLM(mg/l)

F/M(kgDBO5/

kgSSVLM.d)

DBO5 e(mg/l)

Remo-ción(%)

0 29,1 270 1074 251 65 690 0,091 5 92

1 30,3 250 800 312 80 550 0,147 10 88

2 33,7 250 1516 165 53 986 0,060 10 80

3 40,4 200 734 272 - 552 - - -

4 49,9 80 764 104 55 596 0,154 40 27

5 86,6 230 988 232 80 796 0,29 95 -

SSREACTOR: Sólidos Sedimentables en el reactorSSLM: Sólidos Suspendidos del Licor MezcladoSSVLMSólidos Suspendidos Volátiles del Licor MezcladoIVL: Indice Volumétrico de LodosF/M: Relación Sustrato-Microorganismos

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. LINEAMIENTOS METODOLÓGICOS

Las conclusiones y recomendaciones de este trabajo se derivan del producto

de los resultados obtenidos y de su conjugación con las experiencias encontradas en la

literatura, ya que en este estudio se indican bases metodológicas para la implantación y

evaluación de un modelo físico de lodos activados a escala laboratorio, dirigidas a la

obtención de parámetros cinéticos que puedan ser utilizados en el diseño de plantas

prototipo.

• La capacidad del modelo físico evaluado, 30 l en el tanque de aireación y 10 l en el

sedimentador secundario, permite una operación y manejo flexible del sistema, permitiendo

la obtención y traslado del sustrato, ya que para operar el sistema entre 24 y 4 horas de

tiempo de retención hidráulico, se requiere de 30 a 200 l/d de agua residual.

• Los tiempos de residencia celular pueden variarse entre los 30 y 5 días, con lo cual

se requiere la extracción de 1 a 6 l de licor mezclado respectivamente, representando entre 3

y 20% del volumen del tanque de aireación, con lo cual no se modifica sustancialmente el

volumen del licor mezclado, no siendo necesario su sustitución con agua.

• La configuración compacta del modelo con la separación mediante el tabique

inclinado, que permite la recirculación del lodo por la abertura inferior, presenta una ventaja

significativa, ya que facilita la operación. Es fundamental en este tipo de modelos la

inclinación de los tabiques que conforman el sedimentador para que se produzca la

acumulación del lodo en el fondo del mismo.

• Se recomienda evaluar detalladamente los dispositivos de entrada, salida y

comunicación entre las unidades del modelo, así como el dispositivo de aireación, con el

objeto de proporcionar un adecuado comportamiento hidráulico.

• La modalidad de alimentación debe realizarse de forma que no permita cambios

significativos en las características y condiciones del agua residual, disminuyendo el tiempo

de retención entre el inicio y el final del período de alimentación. No se considera pertinente

la refrigeración, ya que puede producir condiciones discordantes con la realidad y dificultar

posteriormente la adecuada extrapolación de los resultados.

• En el caso de que el líquido de alimentación tenga un apreciable contenido de

sólidos suspendidos y se requiera su incorporación al modelo, se recomienda proporcionar

una agitación o mezcla que mantenga en suspensión dicho material. Asimismo, se debe

considerar una adecuada selección de diámetros de tuberías para permitir su paso,

recomendándose para el caso de aguas residuales municipales, valores entre 5 y 10 mm.

• Cuando se produzca sedimentación del licor mezclado en el tanque de aireación,

especialmente en las etapas iniciales de aclimatación, donde se establece un compromiso

entre mantener los niveles adecuados de oxígeno disuelto y el material completamente

suspendido, se recomienda el uso de mecanismos de agitación adicional para lograr dichas

condiciones.

• La variabilidad del agua residual o sustrato condiciona una caracterización

detallada que permita definir la concentración del material orgánico a la entrada del sistema

(So). Una vez conocido este valor será necesario reproducirlo en la experiencia a escala

laboratorio, la manera más sencilla es procurando una alimentación que en promedio sea el

valor seleccionado.

• Las muestras tanto en el afluente como en el efluente, deben ser instantáneas,

considerando los tiempos de retención hidráulicos del modelo. Para tener un espectro de

información se recomienda variar las horas de captación, tratando de abarcar todo el

período de alimentación. La determinaciones analíticas mínimas deben ser el contenido de

material orgánico, DBO5, DQO o COT y Nitrógeno y Fósforo en sus formas asimilables,

NH3, NO3 y ortofosfatos, con una frecuencia interdiaria o semanal.

• La muestra en el licor mezclado debe ser instantánea y captada en el centro del

reactor. Las determinaciones mínimas deben dirigirse a los parámetros de control, como

Temperatura, pH, Oxígeno Disuelto y Sólidos Sedimentables, con una frecuencia diaria o

interdiaria y Sólidos Suspendidos Totales y Volátiles interdiaria o semanal. Se recomienda

realizar observaciones al microscopio, para realizar un seguimiento cualitativo de las

características morfológicas y microbiológicas de la biomasa.

• En la medida de las posibilidades, se recomienda realizar ensayos con trazadores

para la determinación del comportamiento hidráulico del sistema, específicamente en lo que

a condición de mezcla se refiere y al tiempo de retención hidráulico.

• La precisión y frecuencia de medición del caudal permite obtener valores

confiables de θθ. Para no afectar este valor al extraer el volumen requerido de licor mezclado

que define θθc, se prefiere dosificar su extracción en el caso que este volumen llegue a los 4 a

6 l. De no ser así, la extracción debe ser instantánea y a una misma hora. No se recomienda,

bajo las condiciones del caso de estudio, sustituir el volumen extraído con agua.

• Para definir la condición de estabilidad del sistema evaluado para líquidos

residuales variables, parece ser necesario evaluar el comportamiento del mismo y obtener

los parámetros que permitan definir esta condición. Sin embargo, la remoción de material

orgánico, el índice volumétrico de lodos y la relación sustrato-microorganismos pueden ser

utilizados para considerar estabilidad del sistema.

• Se recomienda realizar una revisión detallada para definir las condiciones bajo las

cuales va a ser operado el sistema, específicamente θθ y θθc, ya que el uso de los valores

reportados en la bibliografía en algunas ocasiones no aplican, sobre todo cuando las

concentraciones en el agua residual son inferiores a las presentadas en la literatura.

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