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 [email protected]
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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