Diseño de Sistemas De Biopelícula para tratamiento aguas residuales (página 2)

PREMISAS PARA
DEDUCCIÓN DE UNA ECUACIÓN GENERAL DE DISEÑO,
PARA PROCESOS DE BIOPELÍCULA.

La concentración de DBO en el agua residual
varía a lo largo del reactor. La concentración de
DBO disminuye en el sentido del flujo. El movimiento de cada
partícula es siempre hacia adelante y no hay mezcla
retrograda. La cinética de reacción es de segundo
orden e irreversible. El reactante A es la materia
orgánica expresada como DBO (alimento) y del reactante
B son los microorganismos que se alimentan de la materia
orgánica. La concentración del reactante B
depende del área del medio plástico y condiciones
del proceso. El producto de la reacción es el incremento
de biomasa de los microorganismos, que es a la vez es el
reactante B. (No incluye otros subproductos resultantes
del metabolismo de los microorganismos). La relación M =
reactante B / reactante A, varía continuamente en el
tiempo. Los reactantes A y B, no se alimentan de acuerdo a alguna
relación estequiométrica (Siempre existirá
reactante B para cualquier concentración del
reactante A). El medio en que se realiza el proceso (aguas
residuales) es de densidad constante, por lo que se puede ignorar
la variación de volumen del caudal por el efecto de la
temperatura. Se considera únicamente el comportamiento del
proceso en régimen estacionario (no se aborda la etapa en
que no se han alcanzado dichas condiciones). Sí disminuye
el gasto masa de DBO que alimenta al proceso de
Biopelícula, 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.

ECUACIÓN
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

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

Q = Gasto volumétrico del fluido, l/s

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

Sea la relación M:

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.

k, es la constante cinética 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 experimentalmente
para PFS a temperatura de 20 ºC, k = 0.016 días-1 . (
mg/l ) -1

P, es proporcional a la concentración de
microorganismos en la superficie de medio plástico,
depende del espesor de la biopelícula y su peso
especifico. Ep. Yp (cm. mg/cm3 = mg/cm2). El valor determinado
experimentalmente para PFS a temperatura de 20 ºC, P = 2.3
mg / cm2.

REQUERIMIENTOS DE
ÁREA PARA DIFERENTES PROCESOS DE
BIOPELICULA

Para mostrar las diferencias de requerimientos de
área entre diferentes sistemas de biopelícula, se
presenta como ejemplo, un influente unitario (1l/s) con DBO de
200 mg/l, y se calculan las áreas de contacto para niveles
de remoción de 0% a 90 %. En la figura 1 se presentan los
resultados. Las ecuaciones aplicadas se presentan a
continuación.

BIOFILTRO

Biodiscos

BIOFILTRO AEREADO
SUMERGIDO, BAS.

Ecuación Rusten Bjorn: r DQO = 273 * BDQO /
(BDQO+360)

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

PELÍCULA
FIJA SUMERGIDA, PFS.

Ecuación de David Gómez : Ecuación
de este artículo.

k = 0.016 días-1 . ( mg/l ) -1

P = 2.3 mg / cm2.

D = Densidad del empaque = 330 cm2/l

Figura 1. Ejemplo de requerimientos de área para
BIOFILTRO (Germaín), BIODISCOS (kinkanon), BIODISCOS (
Popel), BAS (Rusten) y PFS (Gómez)

APLICACIÓN
DE LA ECUACIÓN GENERAL DE DISEÑO EN LOS SISTEMAS DE
BIOFILTRO, BIODISCOS Y BAS.

La ecuación general de diseño presentada
en este artículo, deducida originalmente para el sistema
de Película Fija Sumergida (PFS), puede aplicarse
también para el diseño de Biofiltros, Biodiscos y
Biofiltro Aereado Sumergido (BAS), aplicando valores de lo
parámetros P y K, que reflejen las características
de estos sistemas.

Teóricamente el valor del parámetro P
será menor para los sistemas que tienen menos superficie
plástica activa, cuando hay menor contacto entre la
biopelícula y la materia orgánica disuelta en el
agua residual; cuando hay menor contacto de la Biopelícula
con el oxígeno; y cuando son más débiles las
fuerzas que remueven la biopelícula envejecida,
parcialmente muerta.

Teóricamente el valor del parámetro k
será menor en los sistemas en que se desarrollen
microorganismos con menor capacidad para oxidar la materia
orgánica disuelta en el agua residual.

A continuación se presentan ejemplos para
Biofiltro y Biodiscos que corresponden a un caudal unitario de 1
l/s, concentración inicial de DBO de 200 mg/l, y niveles
de remoción de 10% a 90%. El ejemplo del sistema BAS,
presenta concentraciones de 100 mg/l a 360 mg/l., para comparar
con la ecuación de Rusten Bjorn, que se basa en la carga
orgánica por unidad de superficie
plástica.

Para
aplicar la ecuación general de diseño al sistema de
Biofiltro, los valores de P, k y D son los siguientes: P = 3.275
mg / cm2. k = 0.006 días-1 . ( mg/l ) –1 . D = 880
cm2/l. Los cálculos del área de contacto con las
ecuaciones de Germain y de Gómez, dan resultados
similares, según se muestra en la figura 2.

Para aplicar la ecuación general de diseño
al sistema de Biodiscos, los valores de P, k y D son los
siguientes: P = 2.105 mg / cm2. k = 0.016 días-1 . ( mg/l
) –1 . D = 150 cm2/l. Los cálculos del área
de contacto con las ecuaciones de Germain y Gómez, dan
resultados similares, según se muestra en la figura
3.

FIGURA 3

Para aplicar la ecuación general de diseño
al sistema de Biofiltros Aereados Sumergidos (BAS), los valores
de P, k y D son los siguientes: P = 0.615 mg / cm2. k = 0.016
días-1 . (mg/l) –1 . D = 880 cm2/l. El
cálculo del área de contacto con las ecuaciones de
Germain y Gómez, dan resultados similares, según se
muestra en la figura 4.

El lector podrá observar que la ecuación
general es aplicable a los Sistemas de: Biofiltro, Biodiscos,
Biofiltro Aereado Sumergido y Película Fija Sumergida,
utlizando los valores de los parámetros P y k, que en este
articulo se señalan. Los valores de densidad (D) del
material plástico que se aplicaron, son los más
comunes y comerciales que se fabrican para Biofltro, Biodiscos,
BAS y PFS.

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.

D.Gómez S. Ecuación de diseño para
PFS, XII Congreso Nacional 2000. FEMISCA.

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.

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.

AGRADECIMIENTOS

Doctor Pedro Martínez Pereda

Ing. Miguel Ángel de la Peña

Ing. Mónica López Santos

Delegación Xochimilco, DDF

Nacional de Tecnologías

Autor:

M. I. David Gómez Salas