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Ecuación de diseño para el sistema película fija sumergida (página 2)




Enviado por David Gómez Salas



Partes: 1, 2

2.1 Objetivos
tecnológicos.

Obtener un sistema de
tratamiento que sea compacto para que satisfaga las restricciones
urbanas de poco espacio, silencioso e incluso que pueda
construirse oculto en zonas hoteleras o en sitios con belleza
arquitectónica.

Desarrollar un proceso que
brinde, bajo ciertas condiciones, beneficios tecnológicos
adicionales a los que ofrecen los procesos de
biopelícula y licor mezclado, que se han estado
aplicando en México con
mayor frecuencia.

Obtener un sistema sencillo de operar, como son los
procesos de biopelícula. Que no requiera ajustar
continuamente la recirculación de lodos, como sucede en
algunos procesos de licor mezclado.

Obtener un proceso que requiera menor volumen de
empaque que
los biofiltros. Además que no presenten pérdidas de
carga hidráulica entre el influente y el efluente, como el
biofiltro.

Obtener un proceso con bondades técnicas
similares al biodiscos, que produce pocos lodos orgánicos,
no producen malos olores y requiere bajos tiempos de residencia;
y además evitar contar con partes vulnerables, como son
los rodamientos y sistemas en
movimiento que
sufren desgaste mecánico. Se estableció que el
medio plástico
debería estar fijo.

2.2 Objetivos teóricos

Determinar la ecuación de diseño
para calcular el área de contacto de medio
plástico, el tiempo de
retención y el volumen del reactor; todo en función
del caudal medio de aguas residuales, la concentración de
materia
orgánica del influente y la concentración de
materia orgánica deseada en el efluente.

Determinar nivel de mezclado apropiado, para obtener el
arrastre eficaz de la biopelícula envejecida.

Modelo
teórico para representar el proceso

3.1 Marco conceptual

Para la deducción de la ecuación que
represente la velocidad de
reacción, se estableció un marco conceptual con las
premisas siguientes:

1. El comportamiento
del reactor es de flujo pistón, lo cual equivale a aceptar
que la concentración de DBO varía a lo largo del
reactor;

2. La concentración de materia orgánica
que varía a lo largo del reactor y disminuye en el sentido
del flujo.

3. Es un sistema de flujo uniforme. El movimiento de
cada partícula es siempre hacia adelante y no hay mezcla
retrograda.

4. La cinética de reacción es de segundo
orden e irreversible. Depende del reactante A que es la
materia orgánica expresada como DBO (alimento) y del
reactante B que son los microorganismos que se alimentan
de la materia orgánica.

5. La concentración del reactante B
(microorganismos que digieren la materia orgánica), es
función del área del medio
plástico.

6 El producto de la
reacción es el incremento de la biomasa de los
microorganismos, que es a la vez el reactante B. No se incluyen
otros subproductos resultantes del metabolismo de
los microorganismos.

7. La relación M = reactante B / reactante A,
varía continuamente en el tiempo para un diferencial de
volumen dado.

8. Los reactantes A y B, no se alimentan de acuerdo a
alguna relación estequiométrica. Siempre
existirá reactante B para cualquier
concentración del reactante A.

9. El flujo es turbulento, lo que favorece el contacto
entre de los microorganismos de la película
biológica con el sustrato y con el oxígeno
disuelto que proporciona el aire inyectado al
reactor.

10. El flujo turbulento también favorece el
desprendimiento periódico
de la biopelícula y evita su acumulación en el
reactor al no permitir su sedimentación.

11. El medio en que se realiza el proceso (aguas
residuales) es de densidad
constante, por lo que puede ignorarse la variación de
volumen del caudal por el efecto de la temperatura.

12. Se considera únicamente el comportamiento del
proceso en régimen estacionario, no se aborda la etapa en
que no se han alcanzado dichas condiciones.

13. Sí disminuye el gasto masa de DBO alimentado
al reactor, se dificulta la alimentación de los
microorganismos, se favorece el desprendimiento de la
biopelícula del medio plástico y disminuye la
concentración de B en el reactor. Sí aumenta
el gasto masa de DBO alimentado al reactor, se favorece la
alimentación y crecimiento de los microorganismos, y
aumenta la concentración de B en el reactor. Existe
un rango de operación en el cual el proceso autoregula la
relación másica de los reactantes A y B.

3.2 Deducción de las ecuaciones de
diseño

Tomando en cuenta el marco conceptual mencionado, se
definen las variables y
relaciones siguientes:

FA = Gasto de masa de entrada del reactante A, DBO
mg/s.

Xa = Fracción del reactante A convertida en
producto, adimensional.

– rA = Velocidad de reacción del reactante A,
basada en volumen de fluido

V = Volumen total del reactor

dV = Diferencial de volumen

El balance de materia, se expresa:

Entra = sale + degrada (oxida)

En donde los componentes del balance, son:

Entra = FA (gasto masa de entrada)

Sale = FA + dFA (gasto masa con la fracción
convertida en producto)

Degrada = – rA dV (desaparece por
reacción)

Substituyendo:

FA = (FA + dFA) + (- rA) dv

dFA = rA dv

La variación diferencial del gasto masa del
reactante A en términos de la fracción convertida,
es:

FA = FA o – FAoXa

FA = FA o (1 – Xa)

dFA = d { FAo(1 – Xa)}

dFA = -FAo d Xa = rA dV

dV = dXa

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Fao – rA

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Sean:

CAo = Concentración inicial del reactante A, en
mg/l

Q = Gasto volumétrico del fluido, l/s

Se obtiene:

FAo = CAoQ

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tr = Tiempo de retención o residencia
aparente.

Para reacción de segundo orden se
tiene:

A + B ? Productos

r A = rB = k CA CB

k = Constante cinética, día -1. (mg/l)
-1

CB = Concentración de microorganismos,
mg/l

CA = Concentración del sustrato, mg/l

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Al integrar y sustituir límites,
se obtiene: Ecuación de David Gómez
Salas

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Tomando en cuenta que la relación M se expresa en
la forma:

M = CBo

CAo

En esta relación:

CAo = Concentración inicial de DBO en mg /
l

CBo = Concentración de microorganismos en el
reactor en mg/l

La concentración CBo en mg/l, es el peso de la
biopelícula (Wp) en mg, dividido entre el volumen del
reactor (Vr) en litros.

CBo = Wp / Vr, en mg/ l

Wp = Peso de la biopelícula, en mg

Vr = Volumen del reactor, en litros

El peso de los microorganismos Wp en mg, es el volumen
de la biopelícula Vp en cm3 multiplicado por el peso
específico de la biopelícula Yp en
mg/cm3.

Wp = Vp x Yp, en mg

Vp = Volumen de la biopelícula, en cm3

Yp = Peso especifico de la biopelícula, en mg /
cm3

El volumen de la biopelícula Vp en cm3, es el
área de la biopelícula Ap en cm2 multiplicada por
el espesor medio de la biopelícula Ep en cm.

Vp = Ap x Ep en cm3

Ap = Area de la biopelícula en cm2

Ep = Espesor medio de la biopelícula en
cm

Por lo anterior la relación M, se
expresa:

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D = Densidad del medio = área para
película / volumen del reactor = Ap (cm2 /
litro)

Vr

M = D. Ep. Yp

CAo

Se define una constante de proporcionalidad, denominada
P, para el producto de multiplicar el espesor medio de la
biopelícula por el peso especifico de ella.

P = Ep. Yp (cm. mg/cm3 = mg/cm2).

M se puede expresar de la forma siguiente:

M = P . D

CAo

La concentración inicial CAo = So
(concentración de DBO inicial)

M se puede expresar de la forma siguiente:

M = P .D

So

Sustituyendo CAo por So y M por la expresión
anterior en la ecuación del tiempo de retención, se
obtiene:

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Cuyo el análisis dimensional es:

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El caudal del influente Q se expresa en m3/d, para
obtener el volumen del reactor en m3.

Vr =Q tr

Vr = m3/d. d = m3

Para obtener el área total de contacto At (medio
plástico) en metros cuadrados, se aplica el valor de la de
la densidad del medio en m2/m3.

D en m2/ m3 = D en cm2/l

10

At = Vr . D

At = m3 . m2/m3 = m2

Trabajo
experimental

4.1 Reactor PFS experimental

Se construyó un modelo en
acrílico de 52 cm de largo, 32 cm de ancho y 35 cm de
alto, que contiene el reactor PFS y el sedimentador
secundario.

El reactor PFS, consta de dos tramos de 52 cm cada uno.
El flujo recorre en total una longitud de 104 cm. Las dimensiones
se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Dimensiones del reactor PFS
experimental.

LARGO

10.40

dm

ANCHO

0.75

dm

TIRANTE

2.50

dm

VOLUMEN

19.50

dm3

El volumen total del reactor, con todo y medio es de
19.5 litros. Se aplicó un caudal de 1.485 ml/s. El tiempo
de residencia aparente fue de 3.65 horas.

El medio para la biopelícula se
proporcionó mediante dos secciones, cada sección
con 5 placas de malla de polietileno de alta densidad. En la
Tabla 2 se muestran las dimensiones del reactor PFS.

Tabla 2. Dimensiones del medio para
biopelícula en el reactor PFS experimental

ANCHO/PLACA

23.50

cm

LARGO/PLACA

36.50

cm

ÁREA 2 CARAS /
PLACA

1,715.50

cm2

ÁREA/PLACA CON
ORIFICIOS

1,286.63

cm2

5/PLACAS/SECCIÓN

6,433.13

cm2

2 SECCIONES CON PLACAS

12,866.25

cm2

Tomando como base un espesor de biopelícula de
0.6 cm el volumen ocupado por el medio es de 3,860 cm3 = 3.86
litros.

El volumen del reactor restando el volumen que ocupa el
medio es de 15.64 litros. Con un caudal de 1.485 ml/s el tiempo
de retención hidráulico es de 2.92
horas.

Para facilitar las futuras aplicaciones se
decidió obtener en las ecuaciones de diseño el
volumen total del reactor incluyendo el volumen del medio, el
cual queda definido en la ecuación a través de la
relación: Area del medio entre volumen del reactor. Por lo
tanto, el valor de volumen a utilizar en el análisis
conceptual será 19.5 litros.

El aire fue proporcionado con bomba para pecera ELITE
802 que proporciona 2,500 cm3 de aire por minuto, igual a .089
FCM.

Al inicio se dividió el flujo de la bomba para
dos reactores y el nivel de remoción fue bajo del orden
del 50%. Se concluyó que el nivel de aireación de
2.29 FCM /m3 es insuficiente para lograr el desprendimiento
oportuno de la biopelícula.

Para obtener buenos resultados se aplicó el flujo
de una bomba a un solo reactor. El nivel de aireación de
4.58 FCM/m3 = 11.88 FCM /m2 de superficie de reactor PFS; este
nivel resultó adecuado para el rango de trabajo.

El sedimentador secundario mide 70 cm de largo total en
dos tramos de 35 cm cada uno; 7.5 cm de ancho y 22.5 cm de
tirante, que representa un volumen total de 11.8 litros. Las
tolvas del sedimentador tienen una profundidad de 10
cm.

Con un caudal de 1.485 ml/s el sedimentador tiene un
tiempo de residencia de 2.2 horas, lo cual exigirá que se
produzcan lodos orgánicos que sedimenten
fácilmente. El diseño contiene 4 tolvas en serie
que permite observar para diferentes tiempos de residencia el
comportamiento del proceso de sedimentación.

El modelo se alimentó con una bomba dosificadora
de diafragma marca CHEM-TECH,
serie 100, modelo 068, para un caudal máximo de 257 l/d,
igual a 2.97 ml/s.

4.2 Pruebas
experimentales.

El modelo anterior se instaló en el
cárcamo de bombeo de Caltongo, en la Delegación
Xochimilco.

Se evitó el paso de sólidos gruesos al
influente, con una malla fina en la succión de la bomba, y
se instaló un sedimentador primario.

Se analizó el agua
residual para los parámetros fisicoquímicos
siguientes: sólidos sedimentables, sólidos totales,
sólidos disueltos totales, sólidos suspendidos
totales.

Se determinó DBO y DQO en el influente y en el
efluente. El muestreo
inicialmente fue diario y posteriormente al alcanzar el
régimen estacionario se analizaron 30 días
consecutivos sin incluir sábados y domingos, a diferentes
horas comprendidas entre las 7 horas y 18 horas.

4.3 Resultados experimentales

Tabla 3. Resultados experimentales para
el reactor PFS

MUES

TRA

DBO

DQO

INFLUEN

TE. mg/l

EFLUE

TE. mg/l

REMO

CIÓN

INFLUEN

TE. mg/l

EFLUEN

TE. mg/l

REMO

CIÓN.

1

75.20

7.20

90.43%

195.52

25.17

87.13%

2

76.40

9.32

87.80%

210.64

36.50

82.67%

3

120.50

7.54

93.74%

340.40

48.52

85.75%

4

94.00

14.01

85.10%

259.20

44.99

82.64%

5

97.60

7.35

92.47%

277.28

34.78

87.46%

6

88.00

11.43

87.01%

242.40

40.40

83.33%

7

97.40

6.33

93.50%

246.55

42.04

82.95%

8

111.00

7.63

93.13%

275.28

46.47

83.12%

9

84.50

11.10

86.86%

179.56

30.70

82.90%

10

125.40

15.01

88.03%

310.99

42.98

86.18%

11

113.30

13.85

87.78%

288.98

38.59

86.65%

12

88.50

11.48

87.03%

183.16

21.26

88.39%

13

93.80

11.99

87.22%

210.61

36.49

82.67%

14

54.70

6.24

88.59%

178.15

32.49

81.76%

15

63.70

7.10

88.85%

146.59

30.62

79.11%

16

108.60

11.40

89.50%

241.58

39.27

83.74%

17

97.10

10.30

89.39%

246.46

37.03

84.98%

18

94.00

6.01

93.61%

244.40

35.71

85.39%

19

130.20

10.47

91.96%

294.25

42.40

85.59%

20

80.00

5.66

92.93%

186.80

25.82

86.18%

21

63.40

4.07

93.58%

157.28

22.27

85.84%

22

75.00

5.19

93.08%

172.50

34.61

79.94%

23

44.00

8.22

81.32%

159.44

31.60

80.18%

24

80.20

11.68

85.44%

200.52

22.94

88.56%

25

78.10

11.48

85.30%

210.06

26.41

87.43%

26

143.00

17.70

87.62%

291.80

40.02

86.29%

27

92.10

5.82

93.68%

231.46

40.71

82.41%

28

68.00

3.51

94.84%

216.80

42.45

80.42%

29

139.10

10.33

92.57%

352.66

62.41

82.30%

30

103.00

8.87

91.39%

270.80

49.78

81.62%

PROMEDIO

92.66

9.28

89.99%

234.07

36.85

84.26%

Los resultados de la Tabla 3 se obtuvieron con nivel de
aireación de 4.58 FCM/m3 de reactor y durante el desarrollo de
las pruebas el clima
presentó temperaturas promedio diaria entre 16ºC y
22ºC.

Aplicación
de la ecuación de diseño, previa
determinación de parámetros k y P

Se determinaron los parámetros k y P, para que la
ecuación de diseño reproduzca los resultados
experimentales de manera conservadora, lo que garantiza que la
remoción real resulte ligeramente mejor que la calculada
con la ecuación de diseño.

5.1 Valor del parámetro
k.

k, es la constante cinética y depende de la
concentración del reactante A, que es la
concentración de DBO. Por ser una reacción con
cinética de segundo orden se expresa en
Tiempo-1.Concentración –1. En este caso, día
-1. (mg/l) -1

El valor determinado para temperatura de 20
ºC es el siguiente:

k = 0.016 días-1. ( mg/l )
-1

5.2 Valor del parámetro
P.

P, es la constante de proporcionalidad del reactante B
ó producto, que es la concentración de
microorganismos. Por ser la cantidad de biopelícula
asociada a la superficie de medio plástico se expresa en
términos del espesor de la biopelícula y su peso
especifico. En este caso Ep. Yp (cm. mg/cm3 = mg/cm2).

El valor determinado para temperatura de 20
ºC es el siguiente:

P = 1.42 mg / cm2

5.3 Aplicación de la ecuación de
diseño del reactor PFS.

La ecuación de diseño (D. Gómez
Salas) es la siguiente:

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A partir de ella se puede calcular, la
concentración de DBO en el efluente. Para lo cual se
calcula la variable Xa, que es la conversión ó
remoción de DBO.

Ordenando, se obtiene:

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Se define el término siguiente: b = exp (tr k
So(PD/So-1))

Entonces, la ecuación base puede expresarse en la
forma siguiente

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Ordenando términos para despejar Xa:

b ( 1-Xa ) = 1-XaSo

PD

b – bXa = 1- XaSo

PD

XaSo – bXa = 1 – b

PD

Xa = _1 – b__

So – b

PD

Xa es la conversión del reactante A ó
remoción de DBO y permite determinar la
concentración de DBO del efluente a partir de la DBO del
influente (So) y las variables: P, D, k y tr. Los valores de
So se presentan en la columna de DBO del influente de la tabla 4
y las demás variables, tal como se ha expuesto en este
documento, tienen los valores
siguientes:

"tr", tiempo de residencia = 0.15 días

"D", densidad del medio = 659.81 cm2 / l

"k", constate cinética = 0.016
d-1(mg/l)-1

"P", constante SSV/área = 1.42 mg/cm2

A los valores obtenidos experimentalmente se les
denominará "valores reales" y los obtenidos con la
ecuación de diseño se les denominarán
"valores calculados".

En la tabla 4 se presentan los valores de DBO reales y
calculados en el efluente del reactor PFS
experimental.

En la figura 2 se representan gráficamente los
valores de DBO reales y calculados en el efluente del reactor PFS
experimental.

Tabla 4. DBO real vs DBO calculada.
Efluente de reactor PFS.

MUES

TRA

DBO real en mg/l

DBO calculada en mg/l

INFLUEN

TE. mg/l

EFLUEN

TE. mg/l

REMO

CIÓN

B

REMO

CIÓN

EFLUEN

TE. mg/l

1

75.20

7.20

90.43%

8.13

88.57%

8.593

2

76.40

9.32

87.80%

8.11

88.55%

8.745

3

120.50

7.54

93.74%

7.28

87.82%

14.680

4

94.00

14.01

85.10%

7.77

88.26%

11.032

5

97.60

7.35

92.47%

7.70

88.20%

11.513

6

88.00

11.43

87.01%

7.88

88.36%

10.240

7

97.40

6.33

93.50%

7.70

88.21%

11.486

8

111.00

7.63

93.13%

7.45

87.98%

13.344

9

84.50

11.10

86.86%

7.95

88.42%

9.784

10

125.40

15.01

88.03%

7.20

87.73%

15.382

11

113.30

13.85

87.78%

7.41

87.94%

13.664

12

88.50

11.48

87.03%

7.87

88.35%

10.306

13

93.80

11.99

87.22%

7.77

88.27%

11.005

14

54.70

6.24

88.59%

8.54

88.90%

6.069

15

63.70

7.10

88.85%

8.36

88.76%

7.160

16

108.60

11.40

89.50%

7.50

88.02%

13.011

17

97.10

10.30

89.39%

7.71

88.21%

11.446

18

94.00

6.01

93.61%

7.77

88.26%

11.032

19

130.20

10.47

91.96%

7.11

87.65%

16.078

20

80.00

5.66

92.93%

8.04

88.49%

9.204

21

63.40

4.07

93.58%

8.37

88.76%

7.123

22

75.00

5.19

93.08%

8.13

88.58%

8.567

23

44.00

8.22

81.32%

8.77

89.07%

4.807

24

80.20

11.68

85.44%

8.03

88.49%

9.230

25

78.10

11.48

85.30%

8.07

88.53%

8.961

26

143.00

17.70

87.62%

6.89

87.43%

17.975

27

92.10

5.82

93.68%

7.80

88.30%

10.780

28

68.00

3.51

94.84%

8.27

88.69%

7.690

29

139.10

10.33

92.57%

6.96

87.50%

17.391

30

103.00

8.87

91.39%

7.60

88.11%

12.243

PROMEDIO

92.66

9.28

89.99%

7.80

88.28%

10.858

Monografias.com

Figura 2. DBO real vs DBO calculada.
Efluente de reactor PFS.

Análisis
comparativos

6.1 Comparación de resultados con reporte
sobre Biofiltros Aereados Sumergidos (BAF), de Bjorn Rusten
Wastewater treatment with aerated submerged biological filters.
Journal WPCF. Volume 56. Number 5. 1984.

Reporta la ecuación siguiente: r DQO = 273 * BDQO
/ (BDQO+360)

En donde:

BDQO.- Carga orgánica aplicada en g
DQO/m2/d

r DQO.- Tasa de remoción en g DQO
removidos/m2/d

La relación entre la concentración de la
DQO y la DBO, la expresa en la forma siguiente:

DBO = 0.381DBO-8.8 en mg/l

De acuerdo a lo anterior, se realizaron los
cálculos para tratar un caudal de 1 l/s . Con diferentes
cargas orgánicas por unidad de área de contacto.,
considerando los datos
siguientes:

DBO del influente = 92.66 mg/l

D para el reactor PFS = 65.98 m2/m3

D para el reactor BAF = 140.0 m2/m3

k para reactor PFS, constate cinética = 0.016
d-1(mg/l)-1

P para reactor PFS, constante SSV/área = 1.42
mg/cm2

En la tabla 5 y figura 3, se presenta los resultados. En
ellos se puede ver que estos sistemas solo son comparables en un
rango de cargas orgánicas de 19 a 120 g/m2/d, en el cual
se pueden obtener eficiencias de remoción de 72% a
45%.

Los Biofiltros Aereados Sumergidos (BAF) son
también conocidos como sistemas aereados de contacto y se
han utilizado por más de 50 años, para niveles de
remoción de 50% a 70 % de DBO. Lo cual queda confirmado en
este análisis.

Tabla 5. Áreas de contacto y
volumen de reactor par los procesos BAF y PFS. Igual nivel de
remoción y carga orgánica superficial en ambos
procesos.

PROCESO BAF

PROCESO PFS

BDQO

rDQO

Remo-

ción

BDBO

Área

Medio

Volu

men

tr

Volu

en

Área

Medio

g/m2/d

g/m2/d

%

g/m2/d

m2

m3

día

m3

m2

19.92

14.31

72%

7.49

1069

7.64

0.088

7.64

504

30.00

21.00

70%

11.33

707

5.05

0.084

7.24

478

40.00

27.30

68%

15.14

529

3.78

0.080

6.89

455

48.30

32.29

67%

18.30

437

3.12

0.077

6.63

437

60.00

39.00

65%

22.76

352

2.51

0.073

6.29

415

70.00

44.44

63%

26.57

301

2.15

0.070

6.03

398

80.00

49.64

62%

30.38

264

1.88

0.067

5.79

382

90.00

54.60

61%

34.19

234

1.67

0.064

5.57

368

100.0

59.35

59%

38.00

211

1.50

0.062

5.37

354

110.0

63.89

58%

41.81

191

1.37

0.060

5.18

342

120.0

68.25

57%

45.62

175

1.25

0.058

5.01

331

Monografias.com

Figura 3. Áreas de contacto para
los procesos BAF y PFS. Ambos procesos con igual nivel de
remoción y carga orgánica (g/m2/d)

6.2 Comparación de requerimientos de
área de contacto, calculadas con diferentes ecuaciones:
Germaín, kinkanon, Popel, BAF(Rusten) y
PFS(Gómez)

La comparación se realiza determinando el
área de contacto requerida para diferentes niveles de
remoción de DBO. La comparación no pretende
proponer el uso preferente de algunas de las ecuaciones; no tiene
sentido tal propósito en virtud de que son procesos
diferentes. El objetivo es
promover la
investigación y el desarrollo tecnológico en
procesos de película fija, despertar el interés en
el comportamiento de estos procesos biológicos, que
muestran similitud y que sus diferencias podrían ser
explicadas profundizando en los sistemas de oxigenación,
niveles de contacto entre sustrato y microorganismos, y
cinética de crecimiento y renovación de la
biopelícula.

La comparación se lleva acabo para un influente
de caudal unitario (1l/s) con DBO de 200 mg/l. Se calculan las
áreas de contacto para diferentes niveles de
remoción comprendidos de 0% a 90 %. En la figura 4 se
presentan los resultados.

Las ecuaciones aplicadas, además de las de BAF y
PFS ya mencionadas fueron las siguientes:

Ecuación de Kinkanon Stove A= ____Q
So____

K1*So – K2

So-Se

K1 = Constante = 3.403

K2 = Constante = 3.37

So = DBO del influente en mg/l = 200

Se = DBO del efluente en mg/l = Función de la
remoción

Q = Caudal del influente en l/s = 1

Ecuación de Popel A = Q(So-Se

K(Se)1/2

K = Constante = 2.3

Q = Caudal del influente en m3/d = 86.4

So = DBO del influente en mg/l = 200

Se = DBO del efluente en mg/l = Función de la
remoción

Ecuación de Germaín. Altura
empacada, Z = Ln (So/Se) * qn

k

So = DBO del influente en mg/l = 200 mg/l

Se = DBO del efluente en mg/l = Es función de la
remoción.

q = Caudal especifico m3/hr/m2 = 1.8

n = Constante del empaque = 0.5

K= Constante cinética = 0.09

Área transversal del biofiltro, At =
Q/q

Q = Caudal del influente en m3/hr = 3.6

Área de contacto, A = At .Z. D

D= Densidad del empaque m2/m3 = 88

Monografias.com

Figura 4. Comparación de requerimientos de
área de contacto, calculadas con diferentes ecuaciones:
Germaín, kinkanon, Popel, BAF(Rusten) y
PFS(Gómez)

Ejemplo
numérico

Se propone calcular un reactor PFS para las condiciones
siguientes:

Q = Caudal del influente = 100 l/s

So = DBO del influente, = 200 mg/l

Se = DBO del efluente (agua tratada)
= 50 mg/l

A. Cálculo de
la conversión o remoción de DBO

X = (200-50) / 200 = 0.75

B. Cálculo de la densidad del medio
plástico

El medio plástico a utilizar es empaque comercial
para biofiltro de 30 ft2/ft3 = 98.4 m2/m3

Se considera que el volumen empacado es 72% del volumen
del reactor. 28% es volumen sin empaque, debido a que quedan
libres 50 cm en parte inferior para inyección de aire,
queda libre 50 cm en la parte superior para flotación y
transporte de
biopelícula, además también quedan espacios
a lo largo y ancho del reactor entre los módulos de
empaque. Por lo tanto: la densidad del medio es:

Densidad del medio en el reactor D = 98.4×0.72 = 70.8
m2/m3 = 708 cm2 / l

C. Cálculo del tiempo de residencia

Monografias.com

"k", constate cinética = 0.016
d-1(mg/l)-1

"P", constante SSV/área = 1.42 mg/cm2

tr = 0.09504 días = 2.3 horas

D. Cálculo del Volumen del reactor

Vr =Q tr

Vr = 360 m3/hr *2.3 hr = 828 m3

Altura empacada = 10 ft = 3.05 m

Separación del empaque al fondo del reactor =
0.50 m

Altura del agua sobre el empaque = 0.50 m

Tirante total del agua, Q medio = = 4.05 m

E. Cálculo del área total de contacto At
(medio plástico).

At = 828m3 *70.8 m2/m3 = 58,622 m2

F. Cálculo del volumen de medio plástico,
Vmp

Si se adquiere medio plástico de 30 ft2/ft = 98.4
m2/m3

Vmp = 58,622m2 / 98.4 m2/m3 = 595.8 m3

G. Cálculo del área superficial y geometría del reactor, Ar

Ar = 828 m3 / 4.05 m = 204.44 m2

Relación 14 a 1 de largo: ancho

Largo del reactor = 53.50 m

Ancho del reactor = 3.82 m

Número de tramos longitudinales = 3

Largo por tramo y del reactor = 53.5 / 3 = 17.84
m

Espesor de muros interiores = 0.30 m

Número de muros interiores = 2

Ancho total interior del reactor =3*3.82+2*0.3 = 12.06
m

Monografias.com

Figura 5. Representación esquemática de
tanque reactor PFS del ejemplo numérico. Vista en planta.
Medidas interiores.

G. Cálculo del aire requerido

Q aire = 11.88 FCM/m2* 204.44 = 2,428 FCM

Presión del aire inyectado = 4.05*1.47 Psig + 1
Psig = 7 psig

H. Cálculo de la potencia de
aireación

Potencia de sopladores, catálogo Sutorbilt 1,224
( 47.4 BHP = 60 HP

Potencia de sopladores, catálogo 1,347 FCM ( 47.3
BHP = 60 HP

Potencia total 2 sopladores de 60 HP = 120 HP

Nivel de potencia = 120 HP / 100lps = 1.2 HP /
lps

Conclusiones

El proceso PFS es similar al BAF, el rango de
aplicación del BAF esta contenido en el rango de
aplicación del PFS.

El proceso BAF se aplica para eficiencias de
remoción de DBO, igual o menor a 65%.

El proceso PFS se aplica para eficiencias de
remoción de DBO, igual o menor a 90%.

El proceso PFS garantiza la renovación eficiente
de la película biológica y produce lodos de
fácil sedimentación.

El nivel de aireación en el reactor del proceso
PFS, es alto y garantiza que no se producirán condiciones
anóxicas ó anaerobias, que puedan producir olores
desagradables.

Es necesario estudiar el efecto de la temperatura sobre
la constante cinética así como profundizar en los
factores la velocidad de sedimentación de los lodos
orgánicos.

Es un proceso fácil de operar porque se regula a
sí mismo, ante los cambios de caudal y
concentración de DBO.

El PFS tiene un campo de aplicaciones muy grande, que
los interesados en el tratamiento de aguas residuales,
podrán conocer y ampliar a medida que se familiaricen con
el proceso.

En este trabajo no se intenta demostrar que el proceso
PFS sea mejor que otros. Todos los procesos existentes son
buenos. Se selecciona el proceso que satisface mejor el conjunto
de objetivos y restricciones que definen el problema especifico a
resolver.

AGRADECIMIENTOS

Doctor Pedro Martínez Pereda

Ing. Miguel Angel de la Peña

Ing. Mónica López Santos

Delegación Xochimilco, DDF

Nacional de Tecnologías

Referencias

Levenspiel O. (1980). Chemical Reaction Engineering. Illinois
Institute of Technology John Wiley.

López S.M. (1994). Desarrollo del
sistema denominado "placas Biológicas" en el tratamiento
de aguas residuales domésticas. Tesis Facultad
de Química
UNAM,
México.

Nicol J. P., Benefield L.D., Wetzel E.D..,
Heidman J. (1988). Activated sludge systems with biomass particle
Support Structures. Bioengineering, Vol. 31, págs.
682-695.

Rusten B. (1984). Wastewater treatment with
aerated submerged biological filters. Journal WPCF. Volumen 56.
No. 5, págs. 404-431.

Stensel H.D. Brener R.C., Lee K.M., Meker
H. y Raknes K. (1988). Biological Aerated Filter Evaluation.
Journal of Environmental Engineering. Vol. 114. No. 3,
págs. 655-671.

Walas S.M.(1980). Cinética de
Reacciones
Químicas. Universidad de
Kansas. Editorial Aguilar.

 

 

 

 

 

Autor:

M. I. David Gómez
Salas

Categoría: Tratamiento
biológico de aguas residuales

XII Congreso Nacional 2000.
Federación Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ciencias
Ambientales, AC. Procesos Biológicos.

Partes: 1, 2
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