INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LA MONTAÑA INGENIERÍA AMBIENTAL FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES RESUMEN DE LA UNIDAD UNIDAD 3. OPERACIONES UNITARIAS
DOCENTE: LETICIA ANGÉLICA FLORES PÉREZ
YANET GALINDO CANDIA
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN……………………………………………………..……02 3.1 DESBROZO……………………………………………………………..03 3.2 CRIBADO……………………………………………………………….03 3.3 DESARENADO………………………………………………………....04 3.4 FLOTACIÓN……………………………………………………………07 3.5 SEDIMENTACIÓN…………………………………………………….14 CONCLUSIÓN…………………………………………………………...…17 FUENTE DE CONSULTA………………………………………………....19 REPORTE DE LA EXPOSICIÓN: FLOTACIÓN………………………20 REPORTE DE LA PRÁCTICA DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES.....33 REPORTE DEL BIORREACTOR………………………………………..48
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INTRODUCCIÓN La selección de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie de procesos de tratamiento dependen de un cierto número de factores, entre los que se incluyen: Características del agua residual: DBO, materia en suspensión, pH, productos tóxicos. Calidad del efluente de salida requerido. Coste y disponibilidad de terrenos; p.ej. ciertos tratamientos biológicos
(lagunaje,
estanques
de
estabilización)
son
económicamente viables únicamente en el caso de que se disponga de terrenos de bajo coste. Consideración de las futuras ampliaciones o la previsión de límites de calidad de vertido más estrictos que necesiten en el diseño de tratamientos mas sofisticados en el futuro. Coste local del agua; p. ej. Ciertos tratamientos sofisticados (p.ej. ósmosis inversa) podrían justificarse en determinadas regiones en que el coste del agua es elevado, y estarían fuera de lugar en regiones de bajo coste del agua. Los tratamientos de aguas residuales implican la reducción de sólidos en suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga o bien en los receptores o para pasar un tratamiento secundario a través de una neutralización u homogeneización.
3.1 DESBROZO Reducción de sólidos en suspensión de diferentes tamaños por medio del uso de rejillas de operación manual o mecánica. Los productos se 2
destruyen por incineración o pueden ser tratados por digestión anaerobia, o se dirigen directamente al vertedero. Las materias sólidas recogidas se suelen clasificar en finos y gruesos:
Rejillas de sólidos finos.- Apertura de 5 mm o menos. Generalmente están fabricadas de malla metálica de acero, o en base a placas do chapas de acero perforado y se usan muchas veces en lugar de sedimentación. Elimina del 5-25% de sólidos y el 40-60% se elimina por sedimentación.
Rejillas o cribas de sólidos gruesos.- Apertura de 4, 8 ó 9 cm. Se usan como elementos de protección para evitar que los sólidos de grandes dimensiones dañen las bombas y otros equipos mecánicos.
A veces se utilizan trituradoras en lugar de las rejillas de gruesos. Estos elementos rompen o desgarran los sólidos en suspensión, que se eliminan por sedimentación.
3.2 CRIBADO También llamado desbrozo. Las aguas residuales llegarán por gravedad, conducidas por el emisor, hasta el lugar donde será construida la planta de tratamiento de aguas residuales. Los materiales sólidos y bastos, tales como cáscaras de fruta, harapos, palos, trozos de papel y madera que frecuente e inexplicablemente encuentran su destino en el sistema de alcantarillado, se separan pasando las aguas a través de rejillas, hechas con varillas de hierro paralelas. El propósito fundamental de los dispositivos de cribado es proteger a las bombas y otros equipos electromecánicos y prevenir el atascamiento de válvulas. Por este motivo la primera operación que se lleva a cabo en el influente de agua residual es el cribado. El emparrillado de las rejillas, que es su estructura funcional, está inclinado
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con respecto al piso del canal donde se instalan y puede ser de dos tipos generales: de limpieza manual y de limpieza mecánica.
3.3 DESARENADO Los desarenadores se ubican después de las rejillas. Cuando es necesario bombear el influente de agua residual se recomienda localizar el cárcamo a continuación de los desarenadores. El propósito de separar la arena del material orgánico susceptible de putrefacción es evitar depósitos de arena en los tanques de aireación, obstrucción de tuberías, desgaste de rastras en sedimentadores, bombas, etc. El equipo mecánico y electromecánico se desgasta con mayor rapidez debido a la arena. Durante la época de lluvias se arrastra gran cantidad de este material, por lo que es necesario que su diseño considere el manejo eficiente del agua en esta época, ya que es cuando más se requiere de los desarenadores. Se diseñan para separar del agua partículas minerales de hasta 0.2 mm de diámetro; sin embargo, existen restos de alimentos que tienen diámetro grande, con velocidad de sedimentación semejante a la de la arena, por
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lo que el material extraído del desarenador contiene partículas orgánicas y debe manejarse adecuadamente para prevenir o atenuar el mal olor. La forma convencional de separar arena es utilizando los equipos de sedimentación. Otra posibilidad es la utilización de hidrociclones.
Un
modelo fue fabricado por Dorr-Oliver Inc., con el nombre comercial de DorrClone.
Las ciclones DorrClone son separadores liquido/sólido. Utilizando la energía suministrada por la bomba de alimentación, la fuerza centrifuga separa materiales
con diferentes específicos. El ciclón consiste en un cuerpo
estático cilíndrico/cónico, con una alimentación tangencial en la sección cilíndrica superior. La descarga del liquido está situada en la parte superior del eje de la maquina, y los sólidos se descargan en la parte opuesta inferior. Al entrar el agua residual en la cámara cilíndrica, tangencialmente, se establece un flujo espiral o de vórtice. Las fuerzas centrifugas lanzan la arena sobre las paredes del cono, donde los sólidos van deslizándose hacia el punto de salida inferior. El agua residual, libre ya de arena, más ligera (contiene todavía los sólidos orgánicos o fracción ligera) circula 5
hacia el centro del vórtice y sale por la parte superior. Los DorrClones más usados en el tratamiento de aguas residuales son de diámetros que oscilan entre 30 y45 cm de diámetro en la sección cilíndrica. Cuando el caudal excede la capacidad de una unidad, se disponen varias instalaciones en paralelo. La arena recogida en la parte inferior del ciclón entra en un clasificador rascador, diseñado para hacer un lavado y eliminar el agua de la arena recogida. En esta fase se separan los materiales biodegradables que han salido acompañando la arena, y se elimina el agua en ella contenida para poder ser más fácilmente transportada al punto de vertido. El clasificador de rasquetas consiste en un tanque, un rascador y el accionamiento del mismo. El tanque es rectangular con el fondo inclinado. En el extremo superior se descarga la arena. El extremo inferior, donde se derrama el fango, está cerrado
parcialmente
con
un
vertedero
ajustable que
regula el
rebosamiento del líquido. La alimentación se hace por la parte superior de la cámara de sedimentación. El mecanismo de rastrillo consta de varias paletas operadas mecánicamente, y sometidas a un movimiento de vaivén, estando soportado todo el sistema en ambos extremos de la instalación, todo ello movido por un cabezal. Dicho cabezal está movido a través de un sistema de engranajes, por un motor eléctrico, con un transmisor por correa o reductor. El lodo que se introduce en la alimentación se separa rápidamente en dos fracciones: los finos, material que se sedimenta lentamente (en su mayoría materia orgánica), inferiores a la malla de separación; y la parte más gruesa, de sedimentación rápida, y que denominamos arena, de mayor tamaño que la malla de separación.
La fracción fina se mantiene en
suspensión debido a su diferente peso especifico y a la agitación 6
producida por el movimiento de vaivén de las paletas del rastrillo. No siendo posible su sedimentación, los finos pasan con el líquido por el rebosadero. La fracción más gruesa, por otra parte, se hunde rápidamente hacia el fondo y es arrastrada por las paletas del rastrillo. La arena sedimentada avanza hacia arriba por el fondo inclinado del tanque. El movimiento de vaivén de las paletas del rastrillo transporta los granos de arena, y separa los finos de menor tamaño de los materiales gruesos, y los mantienen en suspensión hasta que salen con el rebose. Las partículas más gruesas se separan por encima del nivel del líquido, siendo finalmente descargadas por la última de las paletas
3.4 FLOTACIÓN La flotación es un proceso de clarificación primaria particularmente efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y con gran contenido de algas. El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. La flotación es un proceso para separar sólidos de baja densidad o partículas líquidas de una fase líquida. La separación se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un proceso de presurización para alcanzar una presión de funcionamiento que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o conseguir la saturación en aire del agua. Luego este líquido saturado de aire se somete a un proceso de despresurización llevándolo hasta la presión atmosférica por paso a través 7
de una válvula reductora de presión. En esta situación, y debido a la despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que se desprenden de la solución. Los sólidos en suspensión o las partículas liquidas (por. Ej.: aceites o petróleo) flotan, debido a que estas pequeñas burbujas, asociándose a los mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie. Los sólidos en suspensión concentrados pueden separarse de la superficie por sistemas mecánicos. El líquido clarificado puede separarse cerca del fondo, y parte del mismo puede reciclarse.
En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin 8
embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del liquido que la contiene. En el campo de la depuración del agua, o del tratamiento de los fangos procedentes de la depuración del agua, se interesa, por seleccionar, ciertas materias de la suspensión con relación a otras. Si se deseara esta selección,
el
valor
de
los
productos
separados
no
justificaría,
generalmente, el costo de reactivos “colectores” o “depresores”. La flotación puede ser natural cuando la masa volúmica de las partículas que se quiere eliminar es inferior a la del agua. La flotación provocada se produce por la fijación artificial de burbujas de aire o de gas sobre las partículas a eliminar, confiriéndoles así una masa volúmica media inferior a la del agua. Por un fenómeno semejante, aunque no deseable, la costra que se forma en los digestores puede presentar contenidos en materia seca del 20 al 40% mientras que la masa volúmica del fango es solo de 0.8 ó 0.7 kg/l. Se observa, a veces, un espesamiento natural por flotación debido a una fermentación, sobre grandes depósitos de fangos orgánicos situados en zonas despobladas. SISTEMAS DE FLOTACIÓN Cualquier sistema de flotación debe presentar las siguientes características: a) Generación de bolas de tamaño apropiado en relación con las partículas que se desea remover. b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partículas en suspensión. 9
c) Separación adecuada del material flotante. La flotación puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a través del proceso electrolítico y por aire disuelto, cuyas características principales son:
FLOTACIÓN
NATURAL.- Se emplea frecuentemente una flotación
natural para el predesaceitado de aguas de refinerías, laminación, etc. Con aguas de refinería no cargadas en productos parafínicos u otros desechos voluminosos, pueden disponerse en el desaceitador una serie de placas paralelas inclinada espaciadas algunos centímetros.
FLOTACIÓN
MECÁNICA.- Consiste en una dispersión mecánica de
burbujas de aire de 0.1 a 1 mm de diámetro, se utiliza especialmente para la separación y concentración, por formación de espuma de los minerales. La suspensión así acondicionada se introduce en el centro de un rotor que gira a gran velocidad y que igualmente aspira aire. Las burbujas de aire finamente divididas, aparecen durante la impulsión de la emulsión a través de una jaula que rodea el rotor.
FLOTACIÓN
POR AIRE DISPERSO.- En estos sistemas usualmente se
emplean rotores que promueven, simultáneamente, dispersión, aereación y agitación de la suspensión, con producción de bolas de aire que tienen cerca de un μm de diámetro. Es posible, también, el uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque las bolas resultan con un diámetro mayor (~50 μm). La flotación por aire disperso comúnmente es utilizada en la industria minera. Ejemplos de aplicación Tratamiento industrial de aguas. 10
Industria papelera. Industria alimentaria. Refinerías de petróleo. Industria de plásticos. Tratamiento de aguas residuales urbanas. Decantación secundaria cuando el lodo activado tiene malas propiedades de sedimentación. Complemento o sustitución de la decantación primaria.
FLOTACIÓN ELECTROLÍTICA.- La oxidación anódica del ion clorato de una suspensión con pH alrededor de 7,5 con producción de ion hipoclorito y oxígeno ha sido investigada como unidad de generación de las bolas en la flotación de suspensiones en las que fueron usados cloruro férrico como coagulante primario y polímero orgánico como auxiliar de floculación. Este sistema requiere investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad del agua por tratar.
FLOTACIÓN POR INYECCIÓN DE AIRE.- Flotación natural mejorada por inyección, en el seno de la masa liquida, de burbujas de aire de algunos milímetros de diámetro. Se utilizan, cuerpos porosos, o en el caso de líquidos muy cargados, difusores de burbujas de tamaño medio, dispuestos de forma que provoquen turbulencias locales que favorecen la división de las burbujas de aire. El tamaño de las burbujas debe ser suficientemente pequeño para que puedan adherirse a las partículas que deben flotar. En la instalaciones destinadas a la eliminación de materias ligeras (gruesas, aceites espesos, fibras gruesas, papeles, etc), se prevén, generalmente, dos zonas, una de agitación y emulsión, y otra, en calma, de flotación propiamente dicha.
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En la zona de emulsión, la suspensión se agita y se mezcla con el aire. El recorrido de las burbujas de aire aumenta por el movimiento en espiral creado por la agitación. En la zona de separación y de recogida de las materias flotantes, el caudal es muy pequeño y por consiguiente, la turbulencia muy reducida.
FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO.- La flotación por aire disuelto ha sido uno de los procesos más estudiados en el tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, también ha sido muy investigado en el tratamiento de aguas de abastecimiento.
CÁMARA DE FLOTACIÓN La cámara de flotación puede ser de sección rectangular o circular. Cámaras rectangulares. Es recomendable la instalación de una pantalla con un ángulo de inclinación de 60° con la horizontal y con 30 a 50 cm de largo. El ancho de la cámara depende del tipo de equipo usado para el raspado del material flotante y rara vez excede de 8 metros.
El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el segundo, hay deposición de material flotante. La profundidad varía entre 1
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y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribución de agua presurizada en el interior de la cámara de flotación. Cámara de flotación circular. La mezcla de agua presurizada con el agua por clarificar se hace en un punto próximo a la entrada de la cámara de flotación, que en el centro posee un ducto también circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia una o más canaletas de colección. Mientras el agua hace un movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia del cilindro externo.
La cámara de flotación, independientemente de la forma que tenga, es proyectada para un tiempo medio de retención comprendido entre 10 y 20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d. La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen tanto en el tiempo de retención como en la tasa de escurrimiento 13
superficial, razón por la cual es fundamental realizar una investigación antes de elaborar el proyecto definitivo.
3.5 SEDIMENTACIÓN La sedimentación se utiliza en los tratamientos de aguas residuales para separar sólidos en suspensión de las mismas. La eliminación de las materias por sedimentación se basa en la diferencia de peso específico entre las partículas solidas y el liquido donde se encuentran, que acaba en el depósito de las materias en suspensión. En algunos casos, la sedimentación es el único tratamiento al que se somete el agua residual. La sedimentación puede producirse en una o varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una planta típica de lodos activos, la sedimentación se utiliza en tres de las fases de tratamiento: 1. En los desarenadores, en los cuales la materia inorgánica (arena, a veces) se elimina del agua residual. 2. En los clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden al reactor biológico, y en la cual los sólidos (orgánicos y otros) se separan. 3. En los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen al reactor biológico, en los cuales los lodos del biológico se separan del efluente tratado.
TIPOS DE SEDIMENTACIÓN Pueden
considerarse
tres
tipos
de
mecanismos
o
procesos
de
sedimentación, dependiendo de la naturaleza de los sólidos presentes en suspensión.
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Sedimentación discreta. Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, o sea, no se somete a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso, las propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso especifico) no cambian durante el proceso. La deposición de partículas de arena en los desarenadores es un ejemplo típico de sedimentación discreta. Sedimentación con floculación. La aglomeración de las partículas va acompañada de cambios en la densidad y en la velocidad de sedimentación o precipitación. La sedimentación que se lleva a cabo en los clarificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo de este proceso. Sedimentación por zonas. Las partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total presentando una interfase distinta con la fase liquida. Ejemplos de este proceso incluyen la sedimentación de lodos activos en los clarificadores secundarios y la de los flóculos de alumina en procesos de tratamientos de aguas. TEORÍA DE LA SEDIMENTACIÓN DISCRETA El fundamento para la sedimentación de partículas discretas es la ley de Newton, que se basa en la suposición de que las partículas son esféricas con diámetros homogéneos. Cuando una partícula se sedimenta, va acelerándose hasta que las fuerzas que provocan la sedimentación, en particular el peso efectivo de la partícula, se equilibran con las resistencias o fuerzas de fricción ofrecidas por el líquido. Cuando se llega a este equilibrio, la partícula alcanza una velocidad de sedimentación constante, denominada velocidad final de sedimentación de la partícula.
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CONCEPTO DE TANQUE DE SEDIMENTACIÓN IDEAL Este concepto desarrollado pro Hazen, es la base para poder llegar a relaciones utilizadas en el diseño de tanques de sedimentación. El modelo seleccionado
para
un
sedimentadores
el
de
sección
rectangular
consistente en cuatro zonas: Zona de entrada. En el cual el flujo puede considerarse laminar. Se supone que en el límite de esta zona (siguiendo la línea vertical xt) las partículas se distribuyen uniformemente según la sección de entrada. Zona de sedimentación. Se supone que la partícula deja de estar en suspensión cuando llega al fondo de esta zona (línea horizontal ty). Zona de salida. El agua residual se recoge aquí antes de su paso al tratamiento posterior. Zona de lodos. Esta zona es la reservada para la retirada de los lodos.
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CONCLUSIÓN El agua residual contiene una variedad de sólidos de distintas formas, tamaños y densidades. Para removerlos se requiere una combinación de las operaciones unitarias: cribado, desmenuzado y sedimentación. Los elementos de la planta de tratamiento que corresponden al subsistema primario son los siguientes: 1. Emisor de llegada. 2. Elementos preparatorios: a)
Rejillas (o desmenuzador) para separar (o reducir) el
material basto. b)
Desarenadores para separar la arena.
c)
Vertedor, medidor o canal de aforo.
d)
Tanque de igualación para amortiguar las variaciones
de las descargas de aguas residuales con el fin de tratar un gasto uniforme. 3. Tanques de sedimentación primaria para separar los sólidos suspendidos. Los emisores son la parte de la red de alcantarillado que conducen el agua residual a la planta de tratamiento, y de ésta al sitio de vertido final. Los emisores se diseñan para operar a gravedad o a presión, decisión que depende de las condiciones particulares de cada proyecto. El gasto de diseño de los emisores es el gasto máximo extraordinario de proyecto, en el tramo comprendido entre la red y la planta de tratamiento, y el gasto del efluente tratado para el tramo existente entre la planta y el sitio de vertido final. La parte del emisor que conduce el efluente de agua residual tratada puede ser un canal a cielo abierto, pero aparte del emisor que conduce
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el influente de agua residual cruda es una tubería, comúnmente de concreto, que sólo se encontrará totalmente inundada durante o inmediatamente después de una precipitación pluvial. Las operaciones para eliminar los objetos grandes y la arena, junto con la medición del gasto, son denominadas frecuentemente tratamiento preliminar, y son una parte integral del tratamiento primario.
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FUENTE DE CONSULTA R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edición revisada, edit. Reverté, S.A. Cáp. 3. Degremont, Manual técnico del agua. 4° edición. Seguda parte. Proceso y aparatos de tratamiento César Valdez, Enrique, Vázquez González Alba B. Ingeniería de los sistemas de tratamiento y disposición de aguas residuales. Fundación ICA. unidad 2. Tratamiento primario. Ing. Lidia de Vargas. CAPÍTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE TRATAMIENTO,
consultado
en
http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom oI/tres.pdf Ing. Lidia de Vargas. CAPÍTULO 8. FLOTACIÓN, consultado en http://www.bvsde.opsoms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf Tratamientos
de
aguas,
procesos
mecánicos,
consultado
en
http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf
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REPORTE DE EXPOSICIÓN DE FLOTACIÓN INTRODUCCIÓN
La flotación es un proceso para separar sólidos de baja densidad o partículas líquidas de una fase líquida. La separación se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un proceso de presurización para alcanzar una presión de funcionamiento que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o conseguir la saturación en aire del agua. Luego este líquido saturado de aire se somete a un proceso de despresurización llevándolo hasta la presión atmosférica por paso a través de una válvula reductora de presión. En esta situación, y debido a la despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que se desprenden de la solución. Los sólidos en suspensión o las partículas liquidas (por. Ej.: aceites o petróleo) flotan, debido a que estas pequeñas burbujas, asociándose a los mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie. Los sólidos en suspensión concentrados pueden separarse de la superficie por sistemas mecánicos. El líquido clarificado puede separarse cerca del fondo, y parte del mismo puede reciclarse.
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FLOTACIÓN
La flotación es un proceso de clarificación primaria particularmente efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y con gran contenido de algas. El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color. Los agentes de flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire. Consiste en la separación de las partículas naturales presentes en el agua cruda, coaguladas o floculadas, mediante el uso de sales de aluminio o de hierro y de polímeros. Los sólidos cuya densidad es aproximadamente igual o menor que la del agua, no se pueden separar por sedimentación. Tales sólidos se sedimentarían sólo muy lentamente o permanecerían en suspensión. El objetivo de la flotación es aumentar el empuje ascensional de los sólidos. Esto se logra mediante la generación de burbujas de gas finas. Las burbujas de gas se adhieren a los sólidos y los transportan a la superficie del agua, desde donde se pueden retirar los sólidos flotados. Condición para ello es que los sólidos sean hidrófobos, es decir, que sean más afines al aire que al agua. Los sólidos separados reciben el nombre de flotantes. El factor clave para la flotación es el tamaño de las burbujas de gas. Cuantas más 21
pequeñas son, tanto menor es su velocidad de ascensión. Esto se compensa por el hecho de que las burbujas de gas pequeñas se adhieren a los sólidos en mayor número que las burbujas grandes. El principal método usado en tratamiento de aguas es la flotación por aire disuelto. Otra variante del
método es la electroflotación. Ambos
procedimientos se diferencian principalmente en la forma de producción de las burbujas de gas.
La flotación por aire disuelto La flotación por aire disuelto se basa en que la solubilidad del aire en agua aumenta con la presión (a temperatura constante). En este sistema, una corriente parcial del agua depurada (agua de circulación) se satura con aire a presión. El agua de circulación se retorna al depósito de flotación a través de una válvula de reducción de presión. La reducción brusca de la presión a la presión atmosférica provoca que el aire disuelto forme pequeñas burbujas. Un rascador retira la espuma flotante de la superficie del agua. Para mejorar la flotabilidad de los sólidos se añaden frecuentemente coagulantes y floculantes al agua bruta. Con esto se forman partículas sólidas de mayor tamaño a las que se pueden adherir más burbujas de aire.
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Ejemplos de aplicación Tratamiento industrial de aguas. Industria papelera. Industria alimentaria. Refinerías de petróleo. Industria de plásticos. Tratamiento de aguas residuales urbanas. Decantación secundaria cuando el lodo activado tiene malas propiedades de sedimentación. Complemento o sustitución de la decantación primaria. En la flotación interviene la diferencia entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. Sin embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantación, este proceso de separación sólido–líquido únicamente se aplica a partículas que tienen una masa volumétrica real (flotación natural) o aparente (flotación provocada) inferior a la del liquido que la contiene. En la flotación provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas partículas sólidas o líquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente, aire) y formar conjuntos partícula–gas menos densos que el líquido que constituye la fase dispersa. La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arquímedes, fuerza de resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos partícula– gas que se concentran en la superficie libre del líquido. Para que sea factible la flotación de partículas sólidas o líquidas más densas que el líquido, es preciso que la adherencia de las partículas a las burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto entre las partículas y el líquido. Este contacto entre un sólido y un líquido se 23
determina mediante la medida del ángulo formado por la superficie del sólido y la burbuja de gas.
Si θ = 0, el contacto entre el sólido y el líquido se realiza de forma perfecta; es imposible la adherencia sólido-gas. Si θ = 180°, el contacto entre el sólido y el líquido es nulo; es óptimo el contacto sólido-gas. Se trata de un caso límite que nunca se da en la práctica, puesto que ningún líquido da un ángulo θ mayor de 110° (caso del mercurio). Entre estos dos valores, la adherencia partícula–gas aumenta con el valor del ángulo θ. Puede considerarse este tipo de flotación de una partícula en el caso de partículas sólidas o líquidas (aceites) que tienen una forma relativamente simple y una naturaleza conocida. En el caso de partículas floculadas, a los fenómenos de superficie se suman las adherencias mecánicas ligadas a la estructura de los flóculos, especialmente inclusiones de gas en los flóculos. El ángulo θ se puede aumentar mediante el uso de sustancias tensoactivas que forman una película hidrófoba alrededor de las partículas. Tales sustancias poseen en sus moléculas una parte no polar (hidrófoba) que es 24
atraída por las burbujas de aire en ascensión y otra polar (hidrófila), que es atraída por la fase dispersa. El empleo de sustancias espumantes también ha sido recomendado para formar una mezcla más estable de burbujas y partículas: tales sustancias tienen, además, la propiedad de reducir el tamaño de las bolas de aire, aumentando la superficie específica de las mismas, para proporcionar mayor capacidad de absorción y tiempo de contacto, ya que bolas de aire pequeñas poseen menores velocidades ascensionales. Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partículas pueden resultar de las siguientes acciones: a) Colisión entre la bola y la partícula, debido a turbulencia o a atracción entre ambas b) Aprisionamiento de las bolas contra los flóculos o contacto entre los flóculos que están sedimentando y las bolas de aire en ascensión. c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flóculos. Cuando se tienen partículas hidrofílicas, los mecanismos b y c parecen ser los responsables de la eficiencia de la flotación, en tanto que el mecanismo a parece predominar en la obtención de una ligazón más estable entre las bolas de aire y las partículas, las cuales requieren un cierto grado de hidrofobia.
SISTEMAS DE FLOTACIÓN Cualquier sistema de flotación debe presentar las siguientes características: d) Generación de bolas de tamaño apropiado en relación con las partículas que se desea remover. e) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partículas en suspensión. f) Separación adecuada del material flotante. 25
La flotación puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a través del proceso electrolítico y por aire disuelto, cuyas características principales son: Flotación por aire disperso En estos sistemas usualmente se emplean rotores que promueven, simultáneamente, dispersión, aereación y agitación de la suspensión, con producción de bolas de aire que tienen cerca de un μm de diámetro. Es posible, también, el uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque las bolas resultan con un diámetro mayor (~50 μm). La flotación por aire disperso comúnmente es utilizada en la industria minera. Flotación electrolítica La oxidación anódica del ion clorato de una suspensión con pH alrededor de 7,5 con producción de ion hipoclorito y oxígeno ha sido investigada como unidad de generación de las bolas en la flotación de suspensiones en las que fueron usados cloruro férrico como coagulante primario y polímero orgánico como auxiliar de floculación. Este sistema requiere investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad del agua por tratar. Flotación por aire disuelto La flotación por aire disuelto ha sido uno de los procesos más estudiados en el tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, también ha sido muy investigado en el tratamiento de aguas de abastecimiento. Hay tres tipos básicos de sistemas de flotación:
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a) Con presurización parcial del afluente;
b) Con presurización total del afluente;
c) Con presurización de la recirculación.
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Entre los tipos de flotación, aquella con presurización de la recirculación es la más aconsejable en el tratamiento de las aguas, pues los flóculos podrían romperse en la bomba.
CÁMARA DE FLOTACIÓN La cámara de flotación puede ser de sección rectangular o circular. Cámaras rectangulares. Es recomendable la instalación de una pantalla con un ángulo de inclinación de 60° con la horizontal y con 30 a 50 cm de largo. El ancho de la cámara depende del tipo de equipo usado para el raspado del material flotante y rara vez excede de 8 metros.
El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el segundo, hay deposición de material flotante. La profundidad varía entre 1 y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribución de agua presurizada en el interior de la cámara de flotación. Cámara de flotación circular. La mezcla de agua presurizada con el agua por clarificar se hace en un punto próximo a la entrada de la 28
cámara de flotación, que en el centro posee un ducto también circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia una o más canaletas de colección. Mientras el agua hace un movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia del cilindro externo.
La cámara de flotación, independientemente de la forma que tenga, es proyectada para un tiempo medio de retención comprendido entre 10 y 20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d. La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen tanto en el tiempo de retención como en la tasa de escurrimiento superficial, razón por la cual es fundamental realizar una investigación antes de elaborar el proyecto definitivo.
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PRETRATAMIENTO La eficiencia de la flotación depende del pretratamiento realizado y este, a su vez, está relacionado con la calidad del agua cruda. La realización de investigaciones piloto, aunque no sean de escurrimiento continúo, pueden proporcionar información fundamental en cuanto al tipo de coagulante primario, la dosis y el pH de coagulación, el tipo y la dosis de polímero. Además de la mezcla rápida, un tiempo de floculación comprendido entre 5 y 20 minutos puede ser necesario para que los flóculos alcancen un tamaño de 0,5 y 1 mm, considerado ideal para la flotación. El enriquecimiento que se puede lograr a través de la flotación depende de la selectividad de los reactivos colectores, depresores y activadores. Los reactivos colectores se encargan de convertir la superficie de las partículas en hidrofóbicas, por lo tanto se requiere de la selección de un colector que tenga la capacidad de modificar superficialmente tan sólo las partículas de la especie de interés. Si existen partículas de especies superficialmente afines, que no permiten una selectividad adecuada del colector (como es el caso de la separación de especies sulfurosas), se deben utilizar depresores que interactúen selectivamente sobre una de las especies de tal forma que cuando la partícula que contiene el depresor en su superficie entre en contacto con el colector este no interactué sobre ella.
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CONCLUSIÓN La flotación es uno de los procesos más selectivos para la separación de especies sulfurosas, y de Plomo- zinc y cobre – zinc. La flotación surgió a partir del proceso de separación en medios densos, ya que la dificultad para la obtención de fluido con algunas densidades particulares obligó a la utilización de modificadores de superficie, con el fin de mejorar la selectividad del proceso. Estos modificadores permiten convertir selectivamente en hidrofóbica la especie a separar, de tal forma que ante la presencia de un medio constituido por agua y aire (burbujas), la especie hidrofóbica rechace el agua y se adhiera a las burbujas de aire que ascienden hacia la superficie del líquido. El proceso de flotación se lleva a cabo en celdas de poseen mecanismos de agitación y dispositivos de inclusión de aire a la pulpa o al líquido de separación. La agitación favorece la separación y suspensión de las partículas, mientras que la inclusión de aire promueve la formación de burbujas. La modificación selectiva de las partículas a separar se obtiene mediante la adición de colectores, depresores y activadores. La estabilidad de las burbujas de aire, necesarias para evitar que estas se destruyan antes de llegar a la superficie del medio de separación, se logra mediante la adición de espumantes. La selectividad en la modificación superficial de las partículas a separar se obtiene mediante la adición de modificadores de pH, lo que favorece que algunos colectores se adhieran fácilmente a las especies más hidrofóbicas.
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FUENTE DE CONSULTA R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edición revisada, edit. Reverté, S.A. Cáp. 3. Ing. Lidia de Vargas. CAPÍTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE TRATAMIENTO,
consultado
en
http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom oI/tres.pdf Ing. Lidia de Vargas. CAPÍTULO 8. FLOTACIÓN, consultado en http://www.bvsde.opsoms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf Tratamientos
de
aguas,
procesos
mecánicos,
consultado
en
http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf Universidad, facultad de ingeniería, Flotación, consultado en http://ingenieria.udea.edu.co/cim2005/mineralurgia/flotacion.pdf
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REPORTE DE LA PRÁCTICA DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES INTRODUCCIÓN Las aguas naturales, residuales o residuales tratadas con altos contenidos de sólidos sedimentables no pueden ser utilizadas en forma directa por las industrias o las plantas potabilizadoras. De ello se deriva el interés por determinar en forma cuantitativa este parámetro. La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las características de las partículas, así como de su concentración. La materia sedimentable se define como la cantidad de sólidos que en un tiempo determinado se depositan en el fondo de un recipiente en condiciones estáticas. El método propuesto es volumétrico.
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MATERIALES
o
Frasco de polietileno o vidrio con una capacidad mínima de 1L, con tapa.
o
Cono de sedimentación tipo Imhoff de vidrio o plástico;
o
Bases para conos Imhoff;
o
Agitador largo de vidrio (traer una varilla delgada para la agitación).
o
Cronómetro.
o
Potenciómetro.
PROCEDIMIENTO
1. Se colecta un volumen de 2L, con un frasco de polietileno con tapa.
2. No se recomienda la adición de agentes preservadores. Transportar la muestra y mantenerla en refrigeración hasta realizar el análisis. La muestra debe estar a temperatura ambiente al momento del análisis.
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3. Etiquetar la muestra con: Los nombres y títulos de los analistas que ejecutaron los análisis y el encargado de control de calidad que verifico los análisis. Las bitácoras manuscritas del analista y del equipo en los que se contengan los siguientes datos: Identificación de la muestra, fecha del análisis, procedimiento cronológico utilizado, cantidad de muestra utilizada, número de muestras de control de calidad analizadas.
4. Colocar la muestra bien mezclada en un cono imhoff hasta la marca de 1L. Dejar sedimentar 45 min (contar intervalos de tiempo cada 10 min). Una vez transcurrido este tiempo agitar suavemente a los lados del cono con un agitador o mediante rotación, mantener en reposo 15 min más. Registrar en todo momento los sólidos sedimentables en mL/L.
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RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Antes de la determinación de sólidos sedimentables se determinó la temperatura y el pH de la muestra de agua residual. NOTA: La muestra estuvo en refrigeración posterior a su toma.
Parámetro
Resultado
pH
7.36
Temperatura
19°
Durante la práctica de determinación de sólidos sedimentables en agua residual se obtuvieron los siguientes resultados en cuanto al tiempo de sedimentación y los ml de sólidos sedimentados. El color del agua residual era café:
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Los resultados de acuerdo a los 45 minutos de sedimentación en la muestra y con medición cada 10 minutos son:
Tiempo en minutos 10
ml de sólidos sedimentado s en 1 lt de muestra 1.1
20
1.5
30
1.7
40
1.8
45
1.8
Observaciones
Los sólidos sedimentan rápidamente La velocidad de sedimentación disminuye La velocidad de sedimentación disminuye La variación con el tiempo anterior es mínimo La sedimentación permanece constante
Se agitó el cono con la muestra Después 2 de 15 min.
Se sedimentaron solo 0.2 ml de sólidos después de la agitación y el tiempo de espera 37
Variación de sólidos sedimentados 2.50
ml
2.00 1.50 1.00 0.50
ml de sólidos sedimentados en 1 lt de muestra
0.00
Tiempo
Tiempo inicial
10 minutos
38
40 minutos 20 minutos
45 minutos
30 minutos
Agitación después de los 45 minutos
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Reposo de los 15 minutos
Sólidos sedimentados después de los 15 minutos
Cálculo de velocidad de sedimentación.
Velocidad de sedimentación Tiempo
Sólidos sedimentados (m3)
Velocidad (m/min)
10min
1.1*10-6
1.558*10-6
20min
1.5*10-6
1.0623*10-6
30min
1.7*10-6
8.0263*10-7
40min
1.8*10-6
6.3737*10-7
45min
1.8*10-6
5.6655*10-7
60min
2*10-6
4.7213*10-7
40
CONCLUSIÓN
El análisis de sólidos sedimentables presentes en una muestra de agua
nos
indica la cantidad de sólidos que pueden sedimentarse a partir de un volumen dado de muestra en un tiempo determinado. De esta forma la sedimentación es una operación de preparación del agua para la filtración. Cuanto mejor sea la decantación, más eficiente será la filtración.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/NMX-AA-004-SCFI-2013.pdf
APHA, AWWA, APLF. Métodos normalizados para análisis de aguas y aguas residuales. 17 ediciones. American Public Health Association Enc. New York 1992.
César Valdez Enrique, Vázquez González Alba B. Ingeniería de los sistemas de tratamiento y disposición de aguas residuales. Fundación ICA. 2003
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ANEXOS Cálculo de la velocidad de sedimentación:
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CUESTIONARIO 1. ¿Qué importancia tiene en ingeniería ambiental la medición de la materia solida existente en una gran variedad de muestras liquidas y semilíquidas que oscilan entre la aguas potables y las contaminadas? Los sólidos gruesos se sedimentan y forman mantos de lodo en los que tiene lugar la descomposición anaerobia. Las corrientes arrastrarán y mezclarán los productos de descomposición con el agua de las capas superiores. Con suficiente dilución, es posible que ésta no quede exenta de oxígeno. El arrastre originado por una avenida puede levantar el lodo finamente dividido y llevarlo aguas abajo, llegando a matar los peces al alojarse en sus agallas.
2. ¿Qué es la sedimentación de partículas discretas? Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de características durante la caída. Se denomina sedimentación o sedimentación simple al proceso de depósito de partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma de sedimentación se presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimentadores como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y también en sedimentadores como paso previo a la filtración lenta. 3. ¿Qué es la sedimentación de partículas floculantes? Se refiere a una suspensión bastante diluida de partículas que se agregan, o floculan, durante el proceso de sedimentación. Al unirse, las partículas aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. En este tipo, la densidad como el volumen de las partículas cambian a medida que ellas se adhieren unas a otras mediante el mecanismo de la floculación y la precipitación química.
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4. ¿Qué es la sedimentación de partículas por caída libre o interferida? Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A este proceso de sedimentación se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal. Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantación con manto de lodos.
5. ¿Con que otros métodos se pueden determinar los sólidos? La remoción de sólidos puede llevarse a cabo mediante filtración, y los compuestos de fósforo y nitrógeno pueden removerse mediante una combinación de procesos físicos, químicos y biológicos. La mayor parte de los sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales son de naturaleza pegajosa y floculan en forma natural. Las operaciones de sedimentación primaria son esencialmente del Tipo 2 sin la adición de coagulantes químicos ni operaciones de mezclado mecánico y floculación. La determinación de sólidos totales en muestras de agua por desecación es un método muy utilizado, algunas de sus aplicaciones son: determinación de sólidos y sus fracciones fijas y volátiles en muestras sólidas y semisólidas como sedimentos de río o lagos, lodos aislados en procesos de tratamiento de aguas limpias y residuales y aglomeraciones de lodo en filtrado al vacío, de centrifugación u otros procesos de deshidratación de lodos.
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Un método alterno y más sencillo consiste en estimar los sólidos disueltos totales utilizando la medida de conductividad del agua.
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REPORTE DEL BIORREACTOR
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INTRODUCCIÓN Un biorreactor es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial. Es un recipiente donde se realiza el cultivo, su diseño debe asegurar un ambiente uniforme y adecuado para la reproducción y el hábitat de los microorganismos. Las tareas que debe desempeñar el biorreactor, se resumen en: 1.- Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación. 2.- Mantener constante la temperatura. 3.- Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4.- Suministrar oxígeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo. 5.- El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado.
Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor esté provisto de un sistema de agitación, a demás para el punto (4) se requiere de un sistema que inyecte aire en el cultivo.
1
1
P royecto de un biorreactor, consultado en: https://prezi.com/ug3unzcduzvn/proyecto-biorreactores/. 28/03/2015. 50
OBJETIVOS GENERALES Diseñar un biorreactor de acuerdo a las características que conlleva para su elaboración con condiciones adecuadas para su funcionamiento. Diseñar y construir un biorreactor para obtener los lodos activados del agua residual doméstica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Aportar el desarrollo de un proyecto que ayude a la automatización de los procesos llevados a cabo en este biorreactor. Promover una fuente de conocimiento práctico para futuros aprendices de ingenieros ambientales. Identificar y describir las partes accesorias, al igual que la forma como se operan, controlan, esterilizan, cargan y descargan, etcétera. Lograr una buena agitación. Lograr revoluciones por minuto de 65 como máximo.
e microorganismos.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La presencia de nutrientes en aguas residuales domésticas (ARD) puede constituir un problema no siempre de fácil solución. En términos generales la mayor parte de los componentes presentes en el ARD son materia orgánica e inorgánica, nutrientes y microorganismos; con relación a los nutrientes nitrógeno y fósforo, se destaca el problema de la eutrofización que puede causar daños al cuerpo receptor, pudiéndose enumerar: problemas estéticos y recreacionales, condiciones anaeróbicas en el fondo, eventual mortalidad de peces, mayor dificultad y elevación de los costos de tratamiento de aguas de consumo, problemas con el abastecimiento de aguas industriales, modificaciones en la calidad y cantidad de peces de valor comercial, reducción en la navegación y capacidad de transporte, consumo de oxígeno disuelto, entre otros. En función de esto se hace necesario que sean investigadas tecnologías de acondicionamiento de aguas residuales, económicas y sustentables, que a diferencia de las estaciones de tratamiento convencionales centradas solo en la eliminación de materia orgánica y organismos patógenos incluyan la remoción de nutrientes. Por lo tanto, la atención en los últimos años se ha enfocado hacia el desarrollo de sistemas de depuración más efectivos, siendo en la práctica incluidos procesos terciarios a las estaciones de tratamiento y/o implementación de procesos continuos con eliminación de carga orgánica y nutrientes.
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JUSTIFICACIÓN Como una alternativa a estos sistemas de tipo continuo se ha utilizado sistemas de tratamiento biológico de lodos activados de flujo discontinuo, donde las fases de reacción y decantación se realizan en un solo tanque llamado Reactor Biológico Secuencial (RBS), eliminando de esta forma la necesidad de decantadores y de instalaciones de recirculación de lodo. En un RBS las fases de tratamiento del agua residual se producen a lo largo de un período de tiempo definido llamado ciclo, que una vez finalizado se vuelve a repetir de manera sistemática. Cada ciclo comprende una serie de fases que se suceden en el tiempo, según las características del tratamiento. Entre las ventajas que proporcionan los RBS se destacan: flexibilidad para adaptarse a las características del agua residual afluente, como las fluctuaciones de caudal, permitiendo ajustar la duración de los ciclos; reducción de los costos en relación a procesos continuos, ocupan poco espacio físico y posibilidad de remoción conjunta de materia orgánica y nutrientes en un único ciclo de operación. Teniendo en cuenta lo expuesto se desarrollo esta investigación con el objetivo de estudiar la aplicabilidad de un RBS en la eliminación de nutrientes y materia orgánica de un agua residual doméstica, determinando la influencia de la variación del tiempo de duración de las fases que conforman los ciclos de tratamiento y de la edad de lodo en dichos procesos.
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HIPÓTESIS Mediante el diseño y la elaboración de un biorreactor se busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) para que los microorganismos que contenga el biorreactor realicen su función y con ello aprender a conocer el funcionamiento y eficacia de un biorreactor en las PTAR.
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MARCO TEÓRICO CAPITULO I.- EL REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa. El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos. Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B. Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones: Las pérdidas de calor circundantes son despreciables Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes. Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presión y temperatura son iguales en cualquier punto del tanque Temperaturas uniformes en ambas cámaras. 55
Volúmenes Constantes V, Vc. Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado (CSTR) se operan cerca de puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una producción óptima del proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede ser muy sensible a cambios de carga (cambios en las condiciones de alimentación). Debido a que los CSTR son comúnmente la parte central de un proceso químico completo, el control de la operación del CSTR ha sido uno de los problemas más importantes en la industria química. La regulación de temperatura es la operación de control más sencilla de los CSTR. La mayoría de controladores de temperatura en la industria química son controladores PI clásicos. CAPITULO II.- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL MODELADO Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de nuestro estudio debemos tener las siguientes consideraciones: Las pérdidas de calor circundantes son despreciables. Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes. Mezcla perfecta en el reactor. Temperaturas uniformes en ambas cámaras. Volúmenes Constantes V, Vc
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones definamos las variables y los parámetros para nuestra planta o proceso.
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Variables independientes (variables de entrada): Flujo del Producto A: f (t)
Flujo del Líquido Refrigerante: fc (t) Variables dependientes (variables de salida): - Concentración del Producto Sobrante A: cA (t) - Temperatura en el Reactor: T (t) - Temperatura del Líquido Refrigerante: Tc (t) Perturbaciones medibles: - Concentración del producto A en la entrada del Reactor cAi (t) - Temperatura de Entrada del producto A: Ti (t) - Temperatura del Líquido Refrigerante a la Entrada: Tci (t)
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La instrumentación y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el equipo a un punto óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para medir las propiedades físicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables para asegurar la asepsia del proceso. Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en línea, algunas medidas fuera de línea, requieren de tomar muestras y analizarlas, lo cual consume tiempo y hace lenta la respuesta de control (biomasa, sustrato, metabolitos, etc.). En la figura siguiente, podemos observar los principales instrumentos de medición en un biorreactor. Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad del medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa. Los utilizados en el prototipo son de agitación, temperatura y nivel de líquido. Para la medición de las propiedades químicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. El más utilizado es el de pH, aunque no tiene utilidad para todas las fermentaciones, sólo en las de tipo continuo donde se necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con sensores de pH y oxígeno disuelto.
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Modos de operación Los biorreactores, tienen básicamente tres modos de operación para realizar las fermentaciones: 1. Modo lote (Batch) 2. Modo lote alimentado (Fed-Batch) 3. Modo continuo Los modos de operación por lote, son modos discontinuos de operación, el modo lote es comúnmente llamado discontinuo, mientras que el modo lote alimentado se conoce como discontinuo alimentado a intervalos En nuestro caso, se utilizó el modo lote, en el cual, todas las materias primas necesarias para producir (sustrato) se introducen al inicio de la fermentación, el objetivo es la producción de un metabolito cuyo valor es mayor al de la materia prima. Este cultivo se deja en operación por un cierto tiempo (tiempo de fermentación). Al final de la fermentación se recuperan los productos de interés (Figura 5). Sólo se utilizan cuando se requiere una cantidad pequeña de producto.
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MATERIAL 1 garrafón de 19 litros 1 tubo de 6 cm PVC ½ pulgada 4 válvulas de PVC ½ pulgada 6 codos de PVC ½ pulgada 1 cinta teflón 1 pegamento de tubo PVC. 1 motor de ventilador 1 varilla de cobre de 70 cm varilla ½ 6 aspas de metal de 7/5 1 soldadura para material de cobre 4 tubos para puerta de 1.5 m. 4 tubos para puerta de 40 cm. 1 aireador
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METODOLOGÍA El diseño de los biorreactores es una tarea de ingeniería relativamente compleja y difícil. Los microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.), temperatura, pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas. Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos: 1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. 2. Mantener constante y homogénea la temperatura. 3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4. Prevenir la sedimentación y la floculación. 5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. 6. Mantener el cultivo puro. 7. Mantener un ambiente aséptico. 8. Maximizar el rendimiento y la producción. 61
9. Minimizar el gasto y los costos de producción. 10. Reducir al máximo el tiempo. Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos: 1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo. 2. Mantener constante y homogénea la temperatura. 3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4. Prevenir la sedimentación y la floculación. 5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo. 6. Mantener el cultivo puro. 7. Mantener un ambiente aséptico. 8. Maximizar el rendimiento y la producción. 9. Minimizar el gasto y los costos de producción. 10. Reducir al máximo el tiempo.
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Actualmente, los tratamientos biológicos han cobrado un gran interés en los procesos de depuración de aguas residuales. Su utilización se fundamenta en el aprovechamiento de la capacidad de microorganismos para degradar, acumular, adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de contaminantes presentes en aguas o efluentes. Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos procesos, es el diseño de los biorreactores o reactores biológicos. Los factores que pueden afectar los resultados del proceso son: Las características del efluente que se alimenta (porcentaje de sólidos, presencia de cloro, etc.). La cinética de crecimiento bacteriano y de transformación de los lodos. La composición de la población bacteriana en el biorreactor La calidad de la materia orgánica que se añade al proceso. El funcionamiento estable del reactor dependerá de los siguientes factores: Concentración de los compuestos necesarios para el crecimiento y actividad bacterianas (nutrientes y sustratos). Mantención de parámetros físico-químicos (temperatura, pH) del medio en rangos relativamente limitados para que la actividad de los microorganismos sea óptima. Diseño del sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las condiciones normales de operación. Agitación que impida: a) La formación de zonas de lodos sin tratar. b) Que no disminuya significativamente el tamaño de los flóculos. Al diseñar un bioreactor se debe de tener en cuenta las características del proceso a realizar, asegurar las condiciones necesarias para el crecimiento de los microorganismos y la obtención del producto final deseado.
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IMAGEN 6. RECIPIENTE A UTILIZAR
IMAGEN 7. ADAPTACIÓN DEL DISEÑO
IMAGEN 8 Y 9. ADAPTACIÓN DEL DISEÑO
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IMAGEN 10 Y 11. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE PARA SU POSTERIOR CORTE
IMAGEN 12 Y 13. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE DESPUÉS DEL CORTE PARA INSERTAR LAS ASPAS.
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BIBLIOGRAFÍA
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf
http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/co ntent/0/Clase%206%20.pdf
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169818107002
http://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdf
http://www.criba.edu.ar/cinetica/reactores/CAPITULO%208.pdf
http://biologia.laguia2000.com/biotecnologia/que-es-un-biorreactor
http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/fbiorects.pdf
http://somib.org.mx/rmib/pdfs/Vol24/No1/6.pdf
http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/i-142.pdf
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