Simulación de los procesos de tratamiento de aguas residuales con

SIMULACION DE PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON REACTORES
ANAEROBIOS O BIODISCOS
LLOBREGAT, María J. (1), ARMANDO, Jean (2)
( )Universidad de Carabobo. Valencia. Venezuela. e-mail: [email protected]
(2) Instituto Universitario de Tecnología de Valencia. Venezuela. e-mail: [email protected]
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Resumen
En este trabajo se presenta la simulación de procesos de tratamientos biológicos por medio de un reactor
anaerobio, donde se aplica el modelo cinético de Ramalho, o por medio de reactores biológicos rotativos de
contacto o biodiscos, diseñados bajo el concepto de carga orgánica.
Una vez escogido el tratamiento a efectuar e introducidos los datos necesarios, el programa de simulación,
realizado en el lenguaje de programación Visual Basic, permite visualizar los resultados alcanzados por el
efluente así tratado.
Los resultados obtenidos utilizando este programa de simulación coinciden con los reportados por la
bibliografía, con lo que se garantiza el grado de confiabilidad requerido para su uso en el diseño de los
deferentes procesos contemplados.
Palabras claves: Simulación, Reactor anaerobio, Biodiscos, Tratamiento de aguas residuales.
INTRODUCCION
Actualmente se requiere de la utilización y diseño de programas de simulación que permitan representar los
procesos de tratamiento de aguas residuales, con el fin de obtener mejoras en los procesos y de automatizar el
diseño de las plantas de tratamiento.
Es por ello que en este trabajo se realizó la simulación de procesos de tratamiento biológicos aplicando dos
tipos de tratamiento, por medio de un reactor anaerobio basado en el modelo cinético de Ramalho, y por medio
de reactores biológicos rotativos de contacto o biodiscos, diseñados bajo el concepto de carga orgánica.
El programa de simulación se realizó en el lenguaje de programación Visual Basic que le permite al usuario
desarrollarse en el ambiente de ventanas Windows de la Microsoft Corporation, implementando los modelos
seleccionados.
TRATAMIENTO ANAEROBIO
En un tratamiento anaerobio se logra la descomposición de los compuestos orgánicos complejos a productos
finales inertes mediante la acción de bacterias en ausencia de oxígeno molecular.
REMOCION DE LA DBO
La formulación de este proceso está basado en una cinética de primer orden, en la que la velocidad de
eliminación del sustrato,
es directamente proporcional a su concentración. Partiendo de esta hipótesis se tiene:
Siendo K la constante de velocidad, y t el tiempo de reacción. Expresando esta velocidad por
de sólidos suspendidos volátiles presentes en el licor mezclado, la ecuación (1) puede escribirse de la forma:
llamando:
donde:
k es la constante de remoción del sustrato, y Xv es la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el
reactor. Reordenando, la ecuación (2) queda:
Para un tiempo igual al de residencia, en un reactor continuo, la concentración S corresponde a la concentración
remanente, Sc, y la ecuación queda:
El balance de masas para el sustrato en el reactor se escribe:
En régimen permanente:
Sustituyendo estos valores en la ecuación anterior, resulta:
Sin embargo,
Por lo tanto la ecuación (11) resulta:
Esta ecuación indica que la tasa de remoción del sustrato es proporcional a la concentración del sustrato
remanente Sc, cinética de primer orden. Si se tiene presencia de materia no biodegradable la ecuación (13) se
modifica a la forma:
De la ecuación (14) un gráfico de
Se permite obtener dos líneas, como se muestra en la Figura 1. Para propósitos de diseño el valor de k, tasa de
remoción del sustrato, obtiene de la pendiente de la línea correspondiente a la etapa fermentación del metano,
como ya se mencionó anteriormente. Mientras que el valor donde la recta corta a las abcisas correspondientes
de a la concentración de sustrato no biodegradable (Sn).
Figura 1. Determinación de los parámetros de la degradación anaerobia
Sólidos volátiles en el reactor anaerobio
Considerando el reactor anaerobio descrito en la Figura 2 se tiene que XV,O y XV son respectivamente las
concentraciones en la entrada y en el reactor. Asumiendo condiciones de régimen estacionario y de mezcla
completa, la concentración de VSS en el efluente del reactor es también igual a Xv.
Figura 2. Balance de materia sobre los sólidos volátiles en el reactor anaerobio
Haciendo un balance de materia se obtiene la ecuación siguiente:
ecuación que representa la concentración de VSS en un reactor anaerobio, donde:
Si se multiplica y se divide la ecuación (15) por Xv, y se agrupan términos la ecuación queda:
La ecuación (18) es básica para la determinación de los parámetros a y b. Graficando
contra el tiempo, se obtienen dos rectas, la primera, para tiempos bajos, corresponde al estado de fermentación
ácida, y la segunda, para tiempos altos, corresponde a la etapa de fermentación metánica. Los parámetros a y b
se determinan por regresión lineal en esta curva, usando las fórmulas de los mínimos cuadrados. Un gráfico
típico se muestra en la Figura 3 donde también se muestran los valores de a y b para su determinación gráfica.
Figura 3. Gráfica para la determinación de los parámetros a y b .
Para calcular el tiempo de retención, los valores de a y b adoptados corresponden a la etapa de fermentación del
metano, ya que de acuerdo a lo anteriormente expuesto, es la etapa que controla el proceso a obtener.
Cálculo del tiempo de retención
A partir de la ecuación (14 ) para la remoción de la DQO y de la (15) para la concentración de VSS, se obtiene:
de la ecuación (14) :
de la ecuación (15) :
Sustituyendo y despejando, se obtiene la ecuación para calcular el tiempo de residencia:
PRODUCCION DE GAS
El gas producido en la degradación anaerobia se compone de metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), y en
pequeñas cantidades sulfuro de hidrógeno (H2S) e hidrógeno (H2). Lawrence y McCarthy [11] demostraron que
la producción de gas metano se puede estimar en 5,62 pies cúbicos por libra de DQO removida, en condiciones
estándares de presión y temperatura, excluyendo la DQO removida la cual se transforma en células. La ecuación
para calcular el gas producido es entonces:
Donde las unidades de G son pies cúbicos de gas producido por día (en condiciones estándares de presión y
temperatura), Q (So – Sc) las libras de DQO removido por día, y 1,42 Q XV las libras de VSS en el reactor por
día. Luego para obtener el gas en metros cúbicos por día, se aplican las conversiones respectivas y la ecuación
anterior queda finalmente:
BIODISCOS
Experimentalmente, se ha demostrado que, cuando existe sobrecarga orgánica, el biodisco tiene problemas de
operación : por una parte, la concentración de oxígeno disuelto en la primera etapa alcanza niveles tan bajos que
se presentan, indudablemente, condiciones anaerobias ; por otra, el sistema muestra un crecimiento excesivo de
bacterias que causan taponamiento del medio de soporte. Como consecuencia, se reduce la eficiencia del
tratamiento.
Richard et al [15] descubren que, en el caso anterior, el tratamiento mejora notablemente al distribuir el flujo
entre dos primeras etapas. Esto demuestra la importancia de la carga orgánica. Dupont y Mckinney [7] indican
que la carga orgánica superficial no solo determina el gradiente que provoca la difusión de sustrato en la
biopelícula, sino también el tiempo de reacción, y sugieren utilizar dicha carga como criterio de diseño.
Stover y Kincannon [16] señalan que una de las ventajas de la carga orgánica es su capacidad para predecir la
eliminación y eficiencia del tratamiento bajo cualquier condición de carga, independientemente de que la
cinética sea cero, primero o segundo orden. La cantidad de materia orgánica eliminada por el sistema es
proporcional a la carga orgánica, sin tomar en cuenta si las cargas están originadas por alta concentración de
materia orgánica y caudal bajo o bien por caudal alto y baja concentración. Debido a lo anterior, se pueden
establecer relaciones cuantitativas de eliminación de sustrato en función de la cantidad de sustrato aplicada al
sistema.
Debido a la importancia de la concentración de material orgánico en el influente, se empezó a utilizar, en el
diseño de los biodiscos, el concepto de carga orgánica, el cual involucra el gasto, la concentración de los
contaminantes y el área superficial del biodisco. De manera cuantitativa, la carga orgánica se define como:
donde
Es así, que de acuerdo a la carga orgánica de entrada en el sistema de biodiscos se necesitará un área capaz de
procesarla, una vez que sabemos el área de biodiscos requerida se hace la distribución en etapas, para que el
tratamiento sea más eficiente.
RESULTADOS
Basados en toda la teoría anterior se diseñó un programa que permitiera obtener el tratamiento de un efluente
por medio anaerobio o por medio de biodiscos. Se debe entonces primero seleccionar el tratamiento a efectuar.
Figura 4. Selección del proceso a efectuar
Luego, para el caso del sistema anaerobio, calcular a partir de los resultados en el laboratorio en reactores a
escala, 1 parámetros cinéticos que rigen el proceso anaerobio característicos del efluente a tratar.
Estas constantes cinéticas, Sn, k, a y b, se obtienen por el método de regresión lineal de los mínimos cuadrados a
partir de la introducción de los resultados del laboratorio en una venta como la mostrada en la Figura 5.
Figura 5. Obtención de los parámetros cinéticos a partir del ensayo en e laboratorio con un reactor a
escala.
Una vez establecida esta cinética, se procede a determinar el reactor anaerobio requerido para efectuar el
tratamientos aplicando el modelo de Ramalho.
Figura 6. Especificaciones del reactor anaerobio requerido
Luego se puede verificar como evolucionan tanto la DBO como los sólidos suspendidos volátiles en el reactor a
través de la gráfica mostrada en la Figura 7.
Figura 7. Gráfico de los resultados alcanzados con el reactor anaerobio.
Para el caso de los biodiscos, el número necesario de estos se determina a partir de la carga orgánica del
influente y las etapas quedan definidas al establecerse tanto el área como la carga orgánica a remover en cada
etapa.
Una vez introducidos los datos necesarios para definir el influente a tratar el programa desarrollado realiza los
cálculos pertinentes de las unidades y presenta gráficos y figuras esquemáticas que le permiten a) usuario, o al
proyectista, ver en forma ilustrada los resultados alcanzados por cl tratamiento efectuado.
Figura 8. Distribución de las etapas de los biodiscos
El programa le permite al proyectista cambiar tanto el número de biodiscos, como la distribución de estos, su
área, el número de sectores por biodisco y la carga orgánica aplicada en la etapa, pero siempre verifica que la
nueva distribución esté acorde con el área mínima requerida para efectuar el tratamiento de acuerdo a las
condiciones iniciales fijadas.
Como última ventana se presenta los requerimientos en potencia a instalar de acuerdo al número de biodiscos
necesarios, tal como se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Potencia requerida a instalar
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos utilizando este programa de simulación coinciden con los reportados por la
bibliografía, con lo que se garantiza el grado de confiabilidad requerido para su uso en el diseño de los
diferentes procesos contemplados.
Se realizan gráficos que permiten observar los resultados alcanzados muy fácilmente por simple observación de
las curvas.
Con el programase pueden generar reportes de los resultados en forma impresa, lo que le permite al proyectista
guardar los resultados en forma escrita.
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