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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

PROYECTO

“ CIBAC, PLANTA PILOTO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUASRESIDUALES DEL CANAL DE CUEMANCO “

EQUIPO:No. 5

INTEGRANTES: LEMUS CONTRERAS ANA MARIA MARTÍNEZ PONCE ARACELI SANTAMARÍA GONZÁLEZ MA. GUADALUPE

ASESOR: ING. URIEL ARECHIGA VIRAMONTES

FECHA: 01/ ABRIL/ 03

ÍNDICE Pág.

1. RESUMEN………………………………………………………………… 3

2. MOTIVACIÓN (JUSTIFICACIÓN)……………………………………. 3

3. OBJETIVO……………………………….……………………………….. 4

4. INTRODUCCIÓN……………………………….……………………….. 4

4.1. PROBLEMÁTICA DEL AGUA……………………………….. 4 4.2. SITUACIÓN ACTUAL DEL AGUA………………………….. 5

4.2.1. OFERTA……………………………….…………………….. 54.2.2. DEMANDA………………………………………………….. 54.2.3. CONTAMINACIÓN………………………………………... 6

4.3. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL AGUA RESIDUAL…………………………………… 7

4.4. MARCO LEGAL……………………………….……………… 10 4.4.1. NORMAS OFICIALES MEXICANAS…………….……… 11

4.4.2. NORMAS OFICIALES MEXICANASDEL SECTOR AGUA……………………………………… 14

4.4.3. NORMAS OFICIALES MEXICANASDE LA SECRETARÍA DE SALUD……………………... 14

4.5. DISPONIBILIDAD Y TRATAMIENTODEL AGUA RESIDUAL EN LA ZMCM………………… 15

4.5.1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES,RECICLAJE Y REHÚSO………………………………… 15

5. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES……………………….. 17

6. TRATAMIENTO BIOLÓGICO……………………………………….. 18

6.1. TIPO DE PROCESOS BIOLÓGICOS………………………... 19

6.1.1. PROCESO AEROBIO……………………………………….. 206.1.2. PROCESO ANAEROBIO…………………………………… 20

6.2. TIPO DE REACTORES………………………………………. 25

6.2.1. REACTOR ANAEROBIO DE LECHO SUSPENDIDO INVERSO……………………………………………………. 276.2.2. MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO……………………… 286.2.3. FORMACIÓN DE LA BIOPELICULA……………………. 286.2.4. CARACTERÍSTICAS DE LA BIOPELICULA…………… 296.2.5. FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULA ……………………………………………. 30

Pág.

7. CINÉTICA DEL PROCESO………………………………………….. 30

8. TRANSFERENCIA DE MASA……………………………………….. 31

9. METODOLOGÍA……………………………………………………… 32

10. RESULTADOS……………………………………………………….. 34

11. DISEÑO DE LA PLANTA PILOTO……………………………….. 43

11.1. DIAGRAMA DE FLUJO Y DIMENSIONES…………….. 47

12. ASPECTOS ECONÓMICOS……………………………………….. 49

v COSTOS DE MATERIAL Y EQUIPOv COSTOS DE CONSTRUCCIÓNv COSTOS DE MANTENIMIENTOv COSTOS LABORAL (PERSONAL)v PE (POTENCIAL ECONÓMICO)

13. ASPECTOS AMBIENTALES Y MEDIDASDE HIGIENE Y SEGURIDAD…………………………………… 54

13.1 ASPECTOS DE VIGILANCIA Y CONTROL…………….. 5413.2. MEDIDAS DE SEGURIDAD E HIGIENE………………... 54

14. APLICACIÓN DEL PROCESO…………………………………….. 54

15. CONCLUSIONES…………………………………………………….. 55

16. RECOMENDACIONES A FUTURAS GENERACIONES………... 56

17. AGRADECIMIENTOS………………………………………………. 56

18. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………… 57

19. APÉNDICES………………………………………………………….. 59

19.1. A (OBTENCIÓN DEL ORDEN DE REACCIÓN, µmáx, ks)... 5919.2. B (QUIEN CONTROLA EL PROCESO)…………………… 7819.3. C (ANÁLISIS DIMENSIONAL DEL SISTEMA)…………... 8419.4. D (DISEÑO DEL REACTOR)……………………………….. 8919.5. E (ANÁLISIS DE LOS FENÓMENOS DE

TRANSPORTE Y MOMENTUM)…………………………... 10319.6. F (ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE MASA)………… 10619.7. G (TIEMPOS DE RESIDENCIA)…………………………… 111

20. NOTAS………………………………………………………………… 112

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1. RESUMEN

Para realizar el tratamiento de aguas residuales existen diferentes técnicas. Entrelas técnicas ambientales más utilizadas para tratar este tipo de aguas contaminadas conmateria orgánica biodegradable principalmente, se encuentra la digestión anaerobia enbirreactores de lecho suspendido inverso. El proceso que analizamos consiste en tresbirreactores anaerobios en serie que contienen polietileno de baja densidad el cualconstituye el soporte de los microorganismos. Este tratamiento es el encargado dereducir la materia orgánica del agua a través de la reducción de la Demanda Química deOxígeno (DQO); a bajo costo energético. A partir de la información experimental seobtuvo el modelo matemático de primer orden irreversible que caracteriza elcrecimiento de la biomasa y la degradación de materia orgánica.

2. MOTIVACIÓN

El agua es una de los recursos más importantes en todos los ámbitos de laactividad humana, para el abastecimiento urbano, industrial y agrícola. Por lo que elsuministro de las regiones acuíferas no es suficiente para cubrir las necesidades de lapoblación, debido a la sobre explotación de los mantos acuíferos y de las lagunasremplazadas por la centralización en la ciudad.

Además en México existe una fuente problemática asociada a la contaminacióndel agua. El principal causante consiste en la descarga directa de desechos domésticos eindustriales no procesados en los cuerpos de agua superficial contaminando no solocuerpos de agua: ríos, lagos o presas; sino también los acuíferos de agua subterráneaadyacentes. Con la expansión de la industrial y los centros urbanos, han aumentado lasdescargas accidentales de químicos contaminantes junto con descargas clandestinas y noclandestinas fuera de normatividad. La alta concentración de contaminantesprovenientes de zonas industriales y municipales, dañan los sistemas de alcantarillado,la salud humana y el medio ambiente.

La tarea de dar solución a esta problemática es sin duda un fuerte compromisopara las autoridades ambientales de nuestro país, quienes tienen que llevar a cabo elcumplimiento de la normatividad ambiental en materia de descargas de aguas residuales

Sin embargo, el mayor compromiso lo tienen los responsables directos de lasdescargas, quienes tienen que buscar una alternativa que les permita cumplir con lanormatividad, convirtiendo la inversión a la implementación y desarrollo de tecnologíasde tratamiento de aguas residuales

La falta de agua limpia y su reemplazo por aguas residuales, además de dañar laflora, fauna y poner en peligro la salud de los pobladores, causo una descontroladaacumulación de salitre en el suelo, que antaño había sido fértil. Estos factores negativosllegaron de1 15% al 70 % siendo grados alarmantes, que despertó el interés de rescatareste ecosistema; además de cuidar los pocos recursos naturales que quedan en estadelegación y ciudad.

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Esto nos conduce a llevar a cabo tratamiento de aguas residuales, principalmenteen la zona lacustre de Xochimilco (canal de Cuemanco), que presenta una elevadacontaminación de sus canales, afectando los sembradíos de riego de sus alrededores, yaque es una zona caracterizada como agrícola.

3. OBJETIVO

- Rediseño del proceso de la planta piloto ya existente, para mejorar el tratamiento deaguas del canal de Cuemanco, en la zona Lacustre de Xochimilco.

- Determinar entre los fenómenos de transferencia de masa y de reacción, cual es el quecontrola el proceso de degradación de materia orgánica.

- Obtener un modelo matemático que esté en función de los parámetros experimentalesque caracterizan al sistema.

4. INTRODUCCIÓN

PROBLEMÁTICA DEL AGUA

En México, el uso racional del agua constituye una prioridad fundamental. Ladisponibilidad de agua en cantidad, calidad y oportunidad, es un requisito indispensablepara el bienestar de la población y para el desarrollo económico. Sin ese vital recurso,no puede concebirse la existencia de niveles adecuados en salud, producción agrícola,industrial y alimenticia. Así mismo, el agua es un elemento esencial para conservar laflora, fauna, diversidad biológica, estabilidad del clima y calidad de vida de loshabitantes de México.

La creciente necesidad de lograr el equilibrio hidrológico que asegure el abastosuficiente del agua a la población, se logrará armonizando la disponibilidad natural conlas extracciones del recurso, mediante el uso eficiente del agua. Bajo este panoramaMéxico enfrenta actualmente graves problemas de disponibilidad, desperdicio ycontaminación del agua; parte de este problema se enfrenta con la construcción de lainfraestructura hidráulica que permite, satisfacer de a agua a diferentes sectores de lapoblación: el agrícola, industrial, doméstico, servicios y para la generación de energíaeléctrica, entre otros

El agua se encuentra con una disponibilidad global de 15000 millones de Km3,los escurrimientos naturales, tanto superficiales como subterráneas, llegan a solo 40,000Km3 al año, ante esta situación, es claro que la disponibilidad real del líquido esescasa. De persistir la situación actual, para el año 2025, aproximadamente las dosterceras partes de la población mundial vivirán en regiones con baja disponibilidad delrecurso hidráulico. (7)

México cuenta con una superficie cercana a los 2 millones de Km2, donde másdel 65% de sus superficie es árido o semiárido (8) .Para el 2000, contaba con 98 millonesde habitantes, el 71% de esta se encontraba distribuida en las ciudades, y el resto encomunidades rurales (9). Tiene una disponibilidad de agua promedio de alrededor de5000m3 por persona al año

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SITUACIÓN ACTUAL DEL AGUA

4.2.1 OFERTA

México recibe 1,570 km3 de agua por precipitación, y pierde por evaporación1,064km3 lo que establece la oferta de agua sea de 473 Km3. Fluyen por cauces y vasossuperficiales 410Km3, y el resto recarga a través de mantos subterráneos 63Km3

4.2.2 DEMANDA

Es un problema grave la distribución del agua debido a que el 80% de losrecursos hídricos se encuentran por debajo de los 500m sobre el nivel, y aún nivelmayor se encuentra asentado más de 70% de la población total y se desarrolla el 80% dela actividad industrial. El 55% de la actividad industrial se encuentra en el Valle deMéxico a más de 2000m de altitud, lo que genera graves problemas de abastecimientode agua. Hasta ahora, a sido imposible mantener el desarrollo en las regiones de escasadisponibilidad natural a través de la sobre explotación de acuíferos y la construcción degrandes obras de infraestructura para importar agua de otras cuencas con mayordisponibilidad; donde el agua subterránea, es la fuente importante de este recurso, sobretodo en aquellas regiones donde no existen escurrimientos superficiales considerables.

En 1995 se usaron 163Km3 de aguas superficiales y 24Km3 de mantossubterráneos, es decir 187Km3 anuales (40% del total disponible)

De esta cantidad consumida la mayor parte se utiliza para generación deelectricidad (113Km3) en las plantas termoeléctricas. Puesto que esta agua vuelve a sucauce, y se le puede dar otro uso, en la práctica se considera que no se consume.Tomando en cuenta lo anterior, entonces el volumen total consumido tanto de aguassuperficiales como subterráneas asciende a 73Km3 de los cuales el mayor porcentaje lecorresponde al sector agrícola con 61Km3 (83%); le sigue el uso acuacultura intensivacon 1.4Km3 (2%).

Por tanto, México tiene un consumo de 780m3 per-capita, superior al de lospaíses Europeos.

Al relacionar el consumo de agua con el PIB, para tener una aproximación de laeficiencia hidráulica con la economía con respecto a otros países, se encuentra queMéxico consume el doble de agua por dólares equivalente de PIB. (Como se muestra enla Tabla No.1)

TABLA No. 1. Consumo de agua/producto interno bruto (1998)PAÍS POBLACIÓN

(MILLONES)CONSUMO

(Km3)PIB (miles demill. de uso)

L/PIB dólar

México 95 74 0.1150 115Canadá 30 47 0.00844 84Japón 124 90 0.0365 37

Francia 58 41 0.0382 38

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4.2.3 CONTAMINACIÓN

Aún, cuando la contaminación del agua superficial y subterránea va en aumento,en México como en muchos países del mundo, las principales fuentes de lacontaminación del agua se clasifican en tres grupos de acuerdo a su procedencia:

- Sector social (Municipal)

Corresponde a las descargas de residuo de origen domestico público queconstituyen las aguas residuales municipales. Está relacionado con la cobertura de losservicios del agua potable y alcantarillado, incrementándose en los grandesasentamientos urbanos, aunque el 60% de la población mexicana está concentrada en lasgrandes ciudades, de esta se calcula que el 97% de las aguas residuales son generadaspor la población. Se estima que solo el 50% de la población dispone de sistema dealcantarillado

- Sector industrial

Integrado por las descargas generadas por las actividades de extracción ytransformación de recursos naturales, usado como bienes de consumo satisfactores parala población; la industria genera el 43% de las aguas residuales

- Sector agropecuario

Constituido por los efluentes de las instalaciones dedicadas a la crianza y engorda deganado mayor y menor, y por los campos agrícolas; se calcula que la superficie de riegoy temporal es de 28,000 millones de hectáreas que se usan 92,500 millones de m3 deagua y se consume el 82% de agua por lo que la generación de aguas residuales es del12% (11,100 millones de m3). Las aguas de retorno agrícola son una fuente decontaminación importante cuyo impacto se manifiesta en el alto porcentaje de cuerposde agua que se encuentran en condiciones de eutrofización

Los contaminantes presentes en el agua, ocasionan la disminución del oxígenodisuelto, vital para la vida acuática, provocando eutrofización (se produce cuando elagua se enriquece de nutrientes especialmente nitratos). Actualmente en el valle deMéxico, Lerma, San Juan y Panuco se genera el 89% de la carga orgánica DQO

La distribución de aguas residuales por sector, excluyendo al eléctrico son:• municipal 231m3/s• industrial 174m3/s• agrícola 337m3/s

El D. F, Monterrey y la Ciudad de Guadalajara, en su conjunto generan el 40% deaguas residuales y el 35% de la DBO a nivel nacional

Tomando en cuenta además, las circunstancias locales de las industrias, se hanestablecido medidas de prevención y control de la contaminación del agua en México,así como la instalación de 361 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales eindustriales, con una capacidad instalada de 25 m3/ s. (1)

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Cada una con un tratamiento especifico; llámese:

- Tratamiento Físico- Tratamiento Térmico- Tratamiento Químico- Tratamiento Biológico

Estas tienen ciertas ventajas y desventajas en costos económicos, mantenimiento,consumo energético, entre otros. (2)

Considerando que los contaminantes pueden ser calor, iones metálicos, tóxicos,disolventes orgánicos, ácidos o bases; pero las más importantes son los contaminantesmás comunes de las cargas tanto municipales como industriales, en general proceden deaguas de enfriamiento, purga de lodos, lavado de materias primas, sustancias fecales,basura, papel, metales disueltos, arena entre otros residuos desechados en lasactividades cotidianas de los habitantes de la comunidad, contaminación natural poriones, de las rocas y el suelo, por sustancias orgánicas.

Para el año 2002, se espera una demanda de agua potable para uso urbano de381m3/s; la cual generará 304 m3/s de aguas residuales con una DBO de 20.36 millonesde toneladas; para el tratamiento de esta agua se requieren 2.78 mil millones de dólaresun gasto de operación anual estimado en 2.13mil millones de dólares más un gasto deoperación anual estimado en 2.13mil millones de dólares anuales suponiendo untratamiento secundario

CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL AGUA RESIDUAL

Para evaluar cuantitativamente la calidad del agua a tratar como renovada, se handesarrollado a lo largo de la experiencia una serie de definiciones y técnicas demedición que permiten evaluar sus características y propiedades fundamentales, al igualque el control de procesos de tratamiento para las aguas residuales; considerando suaspecto y composición.

ASPECTO

Las aguas residuales del canal de Cuemanco, son líquidos turbios que contiene elmaterial sólido en suspensión, su color es gris y tienen un olor a moho no desagradable.Flotan en ellas cantidades variables de materia como: sustancias fecales, basura, papel,metales disueltos, arena entre otros residuos desechados en las actividades cotidianas delos habitantes de la comunidad.

COMPOSICIÓN

El agua contiene sólidos disueltos y sólidos suspendidos. La cantidad de sólidos esgeneralmente muy pequeña, casi siempre menos del punto 0.1% en peso; estos sólidosse pueden clasificar en dos grupos generales mostrados en el siguiente diagrama:

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Figura 1. Composición de los sólidos en aguas residuales.

§ Sólidos suspendidos: son aquellos que están en suspensión siendo perceptibles asimple vista; estos sólidos pueden separarse del agua por medios físicos omecánicos como son la sedimentación y la filtración.

§ Sólidos disueltos: son aquellos que han sido disueltos en el agua, estos puedenser orgánicos e inorgánicos

§ Sólidos orgánicos: en general son de origen animal o vegetal que incluyen losproductos de desechos de la vida animal y vegetal, la materia animal muerta,organismo o tejidos vegetales, pueden incluirse también compuestos orgánicossintéticos; es decir sus sustancias que contienen carbono y hidrogeno, pudiendoestar combinados algunos con oxígenos, azufre o nitrógeno.

§ Sólidos inorgánicos: son sustancias inertes que no están sujetas a la degradacióncomo los sulfatos, arena, grava, cieno, sales minerales, del abastecimiento delagua que produce su dureza y contenido mineral.

§ Sólidos coloidales suspendidos: una parte de estos sólidos se sedimentarán, si elperíodo de reposo es mayor de una hora; no pueden eliminarse fácilmenterecurriendo a tratamientos físicos y mecánicos, su composición es 1/3 deorgánica y el resto es inorgánica; están sujetas a una rápida degradación y sonfactor importante en el tratamiento y disposición de las aguas residuales.

§ Sólidos totales: bajo este nombre, se distinguen todos los constituyentes sólidosde las aguas residuales como son mostrados en la Figura 1.

Así como pequeñas y variables concentraciones de gases disueltos. Entre los gasesmás importantes esta él oxígeno, bióxido de carbono de la descomposición de la materiaorgánica, nitrógeno disuelto de la atmósfera; el ácido sulfhídrico que se forma de aldescomposición de los compuestos orgánicos y ciertos compuestos inorgánicos delazufre.

A partir de estas características, se lleva a cabo una cuantificación mediante técnicasa nivel laboratorio de los parámetros que permiten especificar las condicionesadecuadas para el aprovechamiento en las actividades agrícolas; utilizando los siguienteparámetros

pH: Para que el agua sea de calidad satisfactoria en un proceso, se requiere laneutralización de la acidez o basicidad. Las aguas de desecho generalmente contienenconcentraciones elevadas de CO2 (dióxido de carbono)

Sólidos totales

Sólidos suspendidos Sólidos disueltos

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DQO (Demanda Química de Oxígeno): resulta ser un método aproximado para ladeterminación de materia orgánica biodegradable en el agua, correspondiente este valora una estimación de las materias oxidables presentes en el agua ya sea origen orgánicoo mineral.

DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno): es la cantidad de oxígeno que se requierepara la oxidación aerobia biológica de los sólidos orgánicos, de las aguas residuales.

Dureza: debido a la presencia de cationes metálicos divalentes, los cuales soncapaces de reaccionar con el jabón y ciertos aniones presentes en gran escala, laprincipal fuente son los iones de Ca2+, Mg, Sr, Fe, Mn.

Turbidez: es una medida de la cantidad de sólidos, que pueden ser; en su granmayoría coloides de origen orgánico, su medición se realiza por dispersión de la luz.

Grasas y aceites: este parámetro incluye los ácidos grasos de alto peso molecular loscuales también han sido resistentes al tratamiento biológico

Metales pesados: son aquellos, que en concentraciones por encima de determinadoslimites, pueden producir efectos negativos en la salud humana, flora o fauna

Contaminantes patógenos y parasitarios: son los quistes y huevos de parásitos quepueden estar presentes en las aguas residuales y que representan un riesgo a la salud (3)

Nitrógeno: los elementos nitrógeno y fósforo son esenciales para le crecimiento deprotistas y plantas, son conocidos como nutrientes o bioestimulantes. Ladescomposición de las bacterias cambia fácilmente estas formas en amoniaco; ya queen un ambiente aerobio las bacterias pueden oxidar el nitrógeno del amoniaco a nitritosy nitratos.

Fósforos: es también esencial para el crecimiento de las algas y otros organismosbiológicos. Es auxiliar para controlar el crecimiento de las algas, ya que reduciendo lacantidad de este, encontramos la cantidad que prolifera del agua en estudio.

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MARCO LEGAL

El marco jurídico, que regula las actividades de conservación y uso eficiente delagua en México, consta de una serie de leyes y reglamentos de carácter federal y local.La regulación federal, incluye a la constitución de 1917; la ley General de EquilibrioEcológico y Protección al ambiente (LGEEPA), de 198/8; la ley de aguas nacionales(LAN) de 1992; la Ley Federal de Derechos en Materia de Agua, de 2000 y las Normasoficiales Mexicanas NOM)

- Constitución de 1917

Establece en el Art. 27; las aguas son propiedad de la Nación y sólo pueden usarsemediante concesión otorgada por el ejecutivo federal

LEY DE AGUAS NACIONALES

Se menciona que el sector privado puede participar mediante concesión, en laconstrucción y operación de la infraestructura hidráulica; estableciéndose la obligaciónde todos los usuarios al pago de derechos para uso de aguas naciones, incluyendo la dederechos por descargas de aguas residuales.

Definiendo los plazos y términos para el cumplimiento de la ley así como lassanciones y medios de defensa para el usuario; la Comisión Nacional del Agua (CNA)es la encargada de hacer cumplir estas disposiciones.

LEY GENERAL DE EQUILIBRIO ECÓLOGICO PARA LA PROTECCIÓN DELMEDIO AMBIENTE (LGEEPA)

Establece una serie de criterios para prevenir y controlar la contaminación delagua. Estos se refieren a la importancia ambiental del tema, a la responsabilidad delEstado en la materia y a la necesidad de tratar las descargas de aguas residuales.

De acuerdo a esta ley, estos criterios deben considerarse en la expedición denormas; en la entrega de agua en bloque a sistemas de usuarios, en el tipo de tratamientoque debe aplicarse a las aguas residuales e igualmente en los criterios para laclasificación de los cuerpos receptores con base a su carga contaminante.

De acuerdo a la LGEEPA corresponde a SEMARNAP expedir las NormasOficiales Mexicanas (NOM) para prevenir el control de la contaminación de las aguasnacionales, función que el reglamento interior de esta secretaria otorga al INE.

Cabe señalar que cada local tiene el control de las descargas, así como de lavigilancia de las normas, el cobro de derecho de descargas y sanciones.

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LEY FEDERAL DE DERECHOS EN MATERIA DE AGUA

Esta ley establece las disposiciones generales para el pago de derechos por el usodel agua; Así, como el pago de derechos por descarga de aguas residuales. Señalandolos siguiente puntos

- Los responsables de las descargas de aguas residuales municipales y nomunicipales, cuya concentración de contaminantes en cualquiera de losparámetros básicos, metales pesados y cianuros que rebasen los límitespermisibles señalados en la Norma Oficial Mexicana, quedan obligados apresentar un programa de las acciones u obras a realizar para el control de lacalidad del agua de sus descargas a la Comisión Nacional del Agua, en un lazomayor de 180 días naturales

- El responsable de la descarga queda obligado a realizar el monitoreo de lasdescargas de aguas residuales para determinar el promedio diario y mensual.

La elaboración de las normas oficiales en materia de agua correspondiente, deacuerdo a la LGEEPA, a la Ley de Aguas Nacionales y a la Ley Orgánica de laAdministración Pública Federal, al INE y a la CNA, ambos órganos desconcentrados dela SEMARNAT. El INE tiene a su cargo las normas ambientales o ecológicas (NOM-ECOL) mientras que la CNA elabora normas de tipo técnico (NOM-CNA).

Se encuentran principalmente 3 normas Oficiales Mexicanas para el control del aguaresidual:

- NORMAS OFICIALES MEXICANAS ECOLÓGICAS

- NORMAS OFICIALES MEXICANAS DEL SECTOR AGUA

- NORMAS OFICIALES MEXICANAS DE LA SECRETARIA DE SALUD

NORMAS OFICIALES MEXICANAS ECOLÓGICAS

El Instituto Nacional de Ecología y la Comisión Nacional del Agua (CNA) expide 3normas oficiales mexicanas para la prevención y contaminación del agua. (Tabla 2)

• NOM-001-ECOL-1996. Que establece los límites máximos permisibles decontaminantes en las descargas de aguas residuales, y bienes nacionales.

• NOM-002-ECOL-1996. Establece los límites máximos permisibles en lasdescargas de aguas residuales en los sistemas de alcantarillado, urbano omunicipal.

• NOM-003-ECOL-1997. Establece los límites máximos permisibles decontaminantes para las aguas residuales tratadas que se rehúsen en servicios alpúblico, como se muestran en la Tabla 3.

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Tabla 2. Parámetros máximos para LA NOM-002-ECOL-1996

Metales pesados mg/Larsénico 0.2Cadmio 0.2Cianuro 2Cobre 4Cromo 1

Mercurio 0.01Níquel 2plomo 0.6

ContaminantesPatógenos y parasitarios

# Mínimo de partículasen 100 Alg.

Coniformes fecales 240

Parámetro mg/LGasas y aceites 15

DBO 20sólidos suspendidos totales 75

Materiales flotantes 0Sólidos sediméntales 1

nitrógeno total 40fósforo total 20

hierro 5

Regula las descargas a cuerpos de aguas nacionales (ríos, presas, lagos, pantanos ymar).

Los usuarios deben cumplir con los límites de los parámetros aplicables para susdescargas como se muestra en la Tabla 2.

Sí los usuarios exceden mas de 5 veces alguno se estos parámetros, deberá presentaral a CNA un programa inmediato de tratamiento.

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Tabla 3. Parámetros que definen la calidad del agua residual para la NOM-003-ECOL-996

PARÁMETRO mg/L

pHconductividad eléctrica

sólidos totalessólidos totales fijos

sólidos totales volátilessólidos suspendidos totalessólidos suspendidos fijos

sólidos suspendidos volátilessólidos disueltos totalessólidos disueltos fijos

sólidos disueltos volátilessólidos sediméntales

demanda bioquímica de oxigeno (DBO)demanda química de oxigeno (DQO)

nitrógeno amoniacal (N-NH3)nitrógeno orgánico (N-org.)

nitrógeno total (N-total)nitrógeno de nitritos (NO2)nitrógeno de nitratos (NO3)

ortofosfatosfosfatos totales

grasas y aceites totalesgrasas y aceites minerales

SAAH (detergentes)Boro

SulfatosCloruros

Cromo hexavalenteSulfurosNíquelFenoles

ZincCadmioCianuros

Plomo

7.3 (adimensional)1503.0 umhos/cm

1106.006274792076

125905551353.1

279.461215.17.3

22.40.110.94.58.4

109.852.410.41.1

127.3147.5

00.30.60.40.3

0.0080.0040.24

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NORMAS OFICIALES MEXICANAS DEL SECTOR AGUA

Estas normas establecen los métodos de prueba, que garantiza a los organismosoperadores del sistema de agua potable, alcantarillado y saneamiento cumplan son unobjetivo que es el de aprovechar y manejar adecuadamente el agua.

Comprende de ocho normas de la CNA:

- NOM-001-CNA-1995. Sistemas de alcantarillado sanitario - Especificacionesde hermeticidad.

- NOM-002-CNA-1995. Toma domiciliaria para abastecimiento de agua potable.Especificaciones y métodos de prueba.

- NOM-003-CNA-1996. Requisitos durante la construcción de pozos deextracción de agua para prevenir la contaminación de acuíferos.

- NOM-004-CNA-1996. Requisitos para la protección de acuíferos durante elmantenimiento y rehabilitación.

- NOM-005-CNA-1996. Fluxómetros. Especificaciones y métodos de prueba.

- NOM-006-CNA-1997. Fosas sépticas prefabricadas - Especificaciones ymétodos de prueba.

- NOM-007-CNA-1997. Requisitos de seguridad para la construcción y operaciónde tanques para agua.

- NOM-008-CNA-1998. Regaderas empleadas en el aseo corporal -Especificaciones y métodos de prueba.

NORMA OFICIAL MEXICANA DE LA SECRETARÍA DE SALUD

El abastecer el agua para uso y control humano, con una calidad adecuada esfundamental para prevenir y controlar enfermedades gastrointestinales; para ello seestablecen límites permisibles en cuanto a sus características microbiológicas físicas yquímicas

La secretaria de salud elaboró una norma oficial mexicana

- NOM-127-SSA1-1994. Salud ambiental, agua para uso y consumo humano.Límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua parasu potabilización.

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DISPONIBILIDAD Y TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL EN LAZONA METROPOLITANA DE LA CIUDAD DE MÉXICO.

Los parámetros de disponibilidad hidrológica ilustran la situación real de escasez deagua, y que establecen una relación entre oferta natural (escurrimientos y recarga deacuíferos) y la población. La disponibilidad hidrológica de la región del Valle deMéxico es notoriamente la más baja del país; no rebasa los 230 m3 por habitante.Contrasta con las regiones del Golfo y del Pacífico Sur, donde los valores sobrepasan ladecena de miles de m3. Cabe mencionar que según clasificaciones internacionales, lasregiones que muestran datos por debajo de los 1,000m3 anuales por habitante, tienenuna disponibilidad muy baja o incluso critica del recurso.

El suministro total a la Zona Metropolitana de la Ciudad de México oscila alrededorde 68m3 por segundo, de los cuales 35m3 por segundo corresponden al Distrito federal y33m3 por segundo al Estado de México.

Gráfico: Suministro en el Valle de México (Total 68m3/s)

4.5.1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, RECICLAJE Y REUSO

La descarga total de aguas residuales de la ZMCM asciende a 44 metros cúbicos porsegundo. Dada la magnitud del Volumen habría que tomar en cuenta el elevadoporcentaje de períodos, el cual en principio debería de reducir el volumen de aguasresiduales generadas, considerando una dotación inicial de 35m3/s se asume que seincluye el agua pluvial recolectada. De este volumen se considera que el DistritoFederal tiene un potencial de generación promedio de unos 23m3/s, y el Estado deMéxico el resto.

Por lo general, el 90% del agua residual permanece sin tratar y se transporta fueradel área metropolitana a través del sistema general de drenaje. Los cuerpos de aguareceptores, de propiedad nacional, reciben las aguas residuales de la ciudad sintratamiento alguno.

Fuente: nacional Research Council. 1995

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Existen 13 plantas de tratamiento de agua residuales y 14 en los municipiosconurbados del estado de México, como se muestra a continuación en la Tabla No. 4.

Tabla No.4. Plata de tratamiento de Aguas Residuales en la ZMCMDistrito Federal Estado de México ZMCM

Flujo de aguas residuales(m3/s)

23 21 44

Capacidad original detratamiento (m3/s)

4.6 2.9 7.5

Flujo real de tratamiento(m3/s)

2.6 1.7 4.3

Tratamiento de aguasresiduales (%)

11 8 10

Fuente: Nacional research Council, et. al. 1995

Las 13 plantas de tratamiento del Distrito Federal (Tabla No.5) están especialmenteubicados para abastecer a determinadas zonas dentro del áreas de servicio, por lo quelas características del agua residual varían de una a otra. El tratamiento secundario seproporciona por la aplicación del proceso de sedimentación y lodos activados. En eltratamiento terciario e aplican métodos de coagulación. Floculación, sedimentaciónfiltración de arena y desinfección

Tabla No. 5. Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales en el Distrito FederalPLANTA CAPACIDAD

ORIGINAL(m3/s)

FLUJOREAL (m3/s)

TIPO DETRATAMIENTO

PRÁCTICADE REUSO

Acueducto deGuadalupe

0.080 0.057 Secundaria IPU

Bosques de laslomas


Cerro de laestrella

3.000 1.509 Secundaria RAI, IA

Ciudaddeportiva


Colegiomilitar

0.020 0.018 Secundaria RCE, IPU

Coyoacán 0.400 0.336 Secundaria RCE, IPUChapultepec 0.160 0.160 Secundaria RCE, IPU

El rosario 0.025 0.022 Terciario RCE, IPUNota:

RCE: Represas de Recreo con Contacto EsporádicoRAI: Recarga de agua subterránea por inyecciónIPU: Irrigación del Paisaje UrbanoIA: Irrigación Agrícola

El flujo real de las plantas del Diario Federal equivale al 55% de la capacidad parala que fueron diseñadas. El agua reutiliza (2.62m3/s de un total de 23m3/s de aguasresiduales generadas, lo que equivale a sólo un 11% de aguas tratadas) se distribuye enun 83% para irrigación del paisaje, 10% para uso industrial; 5% para riego agrícola; y el2% para usos comerciales (lavado de automóviles, entre otro).

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5. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Los tipos de tratamientos de aguas residuales, se clasifican en cuatro etapas:

• Tratamientos preliminares• Tratamientos primarios• Tratamientos secundarios• Tratamientos terciarios

Tratamiento Preliminar; proceso de separación de sólidos de tamaño relativamentegrande o de alta densidad (trapos, botellas, arena o grava).

Tratamiento Primario; en este segundo paso se separan los sólidos suspendidos y lasgrasas, aceites en clarificadores donde las aguas se dejan reposar para su decantación:asentamiento de sólidos y flotación de las grasas.

Tratamiento Secundario; es un tratamiento biológico para la remoción de la materiaorgánica soluble mediante la adición a las grasas residuales de cultivos demicroorganismos del drenaje los cuales se alimentan de la materia orgánica disueltas enlas aguas.

Tratamiento Terciario; esta fase del tratamiento se enfoca en la remoción demicroorganismos, principalmente patógenos mediante la adición de cloro o tratamientocon rayos ultravioleta; donde, cada uno de estos tratamientos utiliza cuatro tipos demétodos de tratamiento dependiendo de su naturaleza, físicos, químicos y biológicos;aquí solo se tratara el biológico.

v Físico. En este se provoca la sedimentación por medio de mecanismos como:sedimentación, filtración, flotación, etc.

v Químicos. Se basan en modificar las propiedades químicas de loscontaminantes de modo que resulten destruidos o que se conviertan en otrosproductos fácilmente separables, los tratamientos típicos son:Coagulación,Floculación, Precipitación química, Oxidación-reducción eintercambio iónico. Por describir algunos:

§ Coagulación – floculación; agregación de pequeñas partículas usandocoagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio, polielectrólitos,etc.).

§ Precipitación química; eliminación de metales pesados haciéndolesinsolubles con la adición delechada de cal, hidróxidos sódicos u otrosque aumentan el pH.

§ Oxidación- reducción química; con oxidante como el peróxido dehidrógeno, ozono y cloro, permanganato de potasio o reductores como elsulfito sódico. Este tratamiento incluye reacciones de oxidación-reducción sobre la superficie de electrodos (generalmente del cátodo).

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§ Intercambio iónico; consiste en poner en contacto un líquido con unsólido que presente facilidad para intercambiar iones. Normalmenteestos sólidos son resinas de intercambio iónico para quitar dureza alagua.

v Biológico. Este puede ser llevado a cabo de manera aeróbica o bien anaeróbica,ya sea en forma independiente o bien combinada. Para este tipo de tratamientose emplean cultivos mixtos de microorganismos.

6. TRATAMIENTO BIOLÓGICO

Este tipo de tratamiento, es el más vasto y amplio de todos los tipos detratamiento, tiene como finalidad remover la materia orgánica soluble coloidal presenteen las aguas residuales. También son metabolizados una pequeña parte de los sólidossuspendidos; la degradación de materia orgánica se lleva a cabo por la transferencia demateria orgánica presente en el seno del líquido, hacia la biomasa, por contactointerfacial y adsorción. La materia orgánica adsorbida es utilizada por losmicroorganismos para su metabolismo, con generación de células nuevas, las quedesplazan a las células muertas; la tendencia natural que tienen los microorganismos deagrupar en flocúlos sedimentables la nueva biomasa, así como los residuos restantes,permiten que al ser separada del agua residual se genere agua casi sin materia orgánicasoluble. El tratamiento biológico esta estructurado en una progresión de cuatro niveles detratamiento (mencionados de manera resumida en el punto anterior). En cada nivel seeliminan distintas clases de contaminantes, con aumento de complejidad técnica y costo,conforme se avanza en el tratamiento.

a) Tratamiento Primario; consiste de una decantación de las aguas residualesbrutas para eliminar los sólidos sedimentables o gruesos (sedimentación,filtración, etc.); y acondicionamiento de las corrientes (ajuste de pH yadición de nutrientes). Por utilizar una estructura simple, tiene un costo bajo.Resulta una pequeña reducción de DBO y Sólidos Suspendidos de las aguasresiduales, pero que tienen un efecto mínimo sobre las otras clases decontaminantes.

b) Tratamiento Secundario; es el principal paso en el tratamiento biológico; esteincluye la oxidación biológica de la materia orgánica soluble e insoluble.Los compuestos orgánicos son oxidados a CO2 y H2O por organismos encondiciones aeróbicas; o bien son descompuestos a una mezcla de CH4, CO2y H2S, bajo condiciones anaerobias. El costo de este nivel de tratamiento esconsiderablemente más elevado que el nivel anterior, especialmente en losprocesos aerobios que utilizan energía eléctrica continuamente para laaireación de las aguas residuales. La eficiencia del tratamiento varíaconforme a la composición de las especies de bacterias presentes, subiomasa, su edad y su metabolismo. En este nivel se generan cantidadesvariables de lodos, los cuales deben ser purgados del sistema, y ademásdeben ser tratados antes de su disposición final.

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c) Tratamiento Terciario; incluye la eliminación de compuestos inorgánicos(fosfatos, sulfatos, amoniaco) junto con residuos de compuestos orgánicosresiduales, por uno, o varios métodos físicos de separación; tales comoadsorción por carbón , osmosis inversa, electrodiálisis, etc. Dado que estenivel de tratamiento tiene un costo elevado, pocas ciudades del mundo tienenlos recursos suficientes para adoptarlo.

d) Tratamiento de Lodos; en las plantas de tratamiento de aguas residuales segeneran lodos, como desecho. Debido a sus características y composición,esto no puede ser depositados directamente al medio ambiente, debido a queocasionarían problemas de olores, así como contaminación del lugar debidoa las altas concentraciones de los contaminantes químicos, materia orgánicano degradada y de microorganismos patógenos. Además la consistencia delos lodos hace que sean problemáticas para su transporte. Por ello eltratamiento de lodos se enfoca a la reducción de agua y la estabilización demateria orgánica.

6.1. TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOS

Los principales procesos biológicos que se emplean en el tratamiento de aguasresiduales (tratamiento secundario), son:

o Aerobioo Anaerobioo Anoxicoso Aeróbico combinado, anoxico y anaerobioo De lagunas

Cada uno de estos procesos, a su vez se subdivide en sistemas de crecimientosuspendido, adherido o combinado. El adherido, puede a su vez ser, con movimiento(reactor de lecho fluidizado, reactor de lecho suspendido inverso) o sin movimiento(reactor de lecho fijo). Estos procesos son empleados por:

§ Eliminación de materia orgánica (DBO, DQO)§ Nitrificación§ Desnitrificación§ Eliminación del fósforo§ Estabilización de los lodos

En este caso, sólo se hará mención de los procesos aerobio y anaerobio.

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6.1.1. PROCESO AEROBIO

Es empleado principalmente para la eliminación de materia orgánica; entregaefluentes de alta calidad que pueden ser descargados al alcantarillado o cursos de aguasuperficial, sin embargo implican altos costos de operación (aireación). Es llevado acabo por microorganismos aerobios y / o facultativos; estos oxidan la materia orgánicaen presencia de oxígeno a compuestos más estables (CO2 y H2O). Las reaccionesgenerales que se llevan a cabo son:

* Oxidación y síntesis

Bacterias + CHONE + O2 + Nutrientes → Biomasa + CO2 + H2O + NH3 + otros

* Respiración endógena

C5H7NO2 + SO2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + Energía

El término C5H7NO2, representa la composición típica de la materia orgánicadegradada por las bacterias en presencia de oxígeno, con formación de moléculas mássencillas, que además se reincorporan a la atmósfera como bióxido de carbono,nitrógeno o agua. Los procesos empleados para llevar a cabo esta operación son: Lodos activados,lagunas, arreadores, digestión aeróbica.

6.1.2. PROCESO ANAEROBIO

La materia orgánica, es degradada por bacterias que no necesitan el oxígeno parallevar a cabo está. La ventaja es tener bajos costos de operación además de que lageneración de biogás (metano) amortigua los costos. Las desventajas que presentan, sedebe a la dificultad de ponerlos en marcha, la susceptibilidad a choques y los elevadoscostos de inversión.

Para el diseño de estrategias de control de reactores anaerobios es necesarioconocer las reacciones que se llevan a cabo; su cinética y termodinámica; lascaracterísticas de los microorganismos que toman parte en ellas, el efecto del medio ylas condiciones de operación en el desarrollo del proceso

La descomposición de materia orgánica vía digestión anaerobia implica unaserie de reacciones de las cuales los productos principales son el metano y dióxido decarbono. La digestión anaerobia se divide en tres etapas (Figura 2).

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Bacterias Acidogenicas

Hidrolizan Fermentan

Polímeros Orgánicos

Acidos Grasos Volatiles + H2

Acido butírico Acido propiónico

Bacterias Acetogenicas

Acido Acetico + H 2 + CO 2

Bacterias MetanogenicasAcetoclastas

Bacterias MetanogenicasHidrogenotrofas

CH 4 , CO 2

Figura 1. Etapas de la digestión anaerobia

Monómeros y olígomeros

En términos generales la reacción que se lleva a cabo se representa como:

Bacterias + C5H7NO2 → Biomasa + CO2 + CH4 + H2 + H2O

Las etapas involucradas en la digestión anaerobia (Figura 2) son tres:

I) Etapa AcidogénicaII) Etapa AcetogénicaIII) Etapa Metanogénica

Figura No. 2 Etapas de la digestión anaerobia

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Ø ETAPA ACIDOGÉNICA

Las aguas residuales contienen sólidos provenientes de la celulosa (papel, residuosagrícolas), almidones, proteínas, grasas, las cuales son insolubles.

Estos compuestos son solubilizados por ácidos o por hidrólisis enzimáticas(celulosa, amilasas, lípasas, proteasas)

Esta etapa implica hidrolizar y fermentar los polímeros y otras sustancias complejaspara dar compuestos químicos simples como el ión acetato que es el principal precursorde metano, es decir:

Se hidrolizan las macromoléculas (polímeros como la celulosa....) y se fermentan losmonómeros y olígomeros, estos son los ácidos grasos, carbohidratos, amino ácidos,bases púricas y compuestos aromáticos; para producir principalmente los ácidos grasosvolátiles (el ácido butírico, ácido propanóico...) e H2; estos son los productos másimportantes en esta etapa.

Las bacterias acidogénicas contenidas en los reactores de CIBAC son (Tabla 3)

Tabla No. 8. Tipos de bacterias acidogénicasBacterias Sustrato Tiempo de

duplicaciónT(ºC) pH

B. polypragmatos Lactosa 0.2 35 7

B. streptococcus sp. Almidón 0.2 35 6 - 9

B. propionibacteriumshermanii

glucosa 0.2 35 5 - 7

Ø ETAPA ACETOGÉNICA

En esta etapa los ácidos grasos volátiles son transformados en ácido acético, CO2e H2.Esta transformación la lleva a cabo un grupo de bacterias acetogénicas (pues las

bacterias siempre trabajan en colonias) productoras obligadas de H2 con tiempos deduplicación muy largos.

El H2 que es producido por el ácido y la acetogénesis debe tener un sumiderocontinuo (bacterias metanogénicas hidrogenotrofas) esto es para que el equilibriotermodinámico de las reacciones de la acetogénesis se desplace hacia la liberaciónde energía libre (∆G’ > 0 a ∆G’ < 0) si esto no sucede las bacterias se inhibirán y sedesactivarán.

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La reacción de un ácido graso volátil con la bacteria acetogénicas, es lasiguiente:

CH3CH2COO- + 3H2O à CH3COO- + H+ + -HCO3 + 3H2

PROPIONATO AGUA ÁCIDO ACETICO IÓN IÓN ÁCIDO HIDROGENO

HIDROGENO CARBONICO

Viéndolo termodinámicamente

∆G’ = ∆Gº + RT*Ln(kc)

kcà constante de equilibrio

[ ][ ]

3- + -3 3 2

3-3 2 2

CH COO H HCO H

CH CH COO H Ock

=

[ ][ ]

3- + -3 3 2

3-3 2 2

CH COO H HCO HG = Gº+RT*Ln

CH CH COO H O

∆ ∆

Ø ETAPA METANOGÉNICA

Se llaman bacterias metanogénicas porque producen metano a partir de sustratoscomo la mezcla de H2/CO2, iones de formato y acetato.

El ión acetato es el que produce mayor parte de metano con un 73%, en cambioH2/CO2 y formato solo produce el 27% de metano.

Las bacterias metanogénicas provocan la descomposición anaerobia de la materia deorigen vegetal (materia fecal).

Este tipo de bacteria lleva a cabo dos tipos de reacciones:

1.- Reacción acetoclasta: consiste en la descarboxilación del ácido acético; utiliza iónacetato como fuente de energía y carbono su reacción es la siguiente:

CH3COO- + H2O à CH4 + CO2 ∆Gº = -31kJ/reacc. IÓN ACETATO AGUA METANO DIÓXIDO

DE CARBONO

Entre estas las que utilizan ión acetato para la producción de metano(Methanoseeta); las que utilizan acetato, metanol, metilaminas (llamadasmethanosarcina)

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2.- Reacción hidrogénotrofa: consiste en la reducción de CO2 con H2; utiliza mezcla deH2/CO2 y formato, su reacción es la siguiente:

HCO-3 + 4H2 +H+ à CH4 + 3H2 ∆Gº = -135kJ/reacc.

La forma de las Bacterias Metanogénicas puede ser en bastoncitos, cocí, ysarcinas. Las bacterias anaerobias utilizadas para este propósito son.Methanobacteriumm, metanobacillus, methanococcos y methanosarcina con T = 35 –40ºC y pH = 6.5 – 7.5.

En general las reacciones consecutivas se pueden llevar a cabo en el mismoreactor (una etapa), pero a veces es conveniente hacerlo en dos reactores, uno para lahidrólisis y otro para la formación de metano.

Estos reactores generan menos biomasa, que los aerobios, (0.05g de biomasa/ gDQO), y dependerá del tipo de sustrato empleado.

La velocidad de formación de metano, es más lenta que la formación de ácidos,en consecuencia este es el paso limitante en el tratamiento anaerobio de aguasresiduales. Repentinos incrementos en la concentración de la carga orgánica, puedecausar un repentino aumento en la concentración de ácidos volátiles (AV),disminuyendo el pH y alterando los niveles de H2, los cuales deprimen la formación demetano. Los valores típicos de degradación de materia orgánica son del alrededor de0.2g DQO/g biomasa día. La composición de la mezcla de gases formada, esta en funcióndel tipo de sustrato empleado, junto con los factores ambientales.

Una composición típica de gas es:

• CH4 70 – 75 %• CO2 20 – 25 %• H2S, NO2, H2CO 5 %

Parte del metano generado en los reactores anaerobios, puede ser empleado paramantener la temperatura de operación de estos. Se puede obtener un rendimiento de0.75 – 4.2 m3/ Kg de material descompuesto; el cual tiene un valor de calentamiento de24 a 28 millones de J/m3. Uno de los problemas asociados a este tipo de reactores es laformación de H2S, junto con el metano, aparte del mal olor, se tienen problemas decorrosión por lo que es necesario eliminarlo antes de usarlo.

Ciertos iones metálicos (Na+, K+, Ca2+, Mg2+), a altas concentraciones (>1000 mg/L)son tóxicos para este tipo de biorreactores; pero a bajas concentraciones (<100 mg/L)son estimulantes del proceso.

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6.2. TIPOS DE REACTORES

Hasta la década de 1950 s, los reactores se agrupaban en dos tipos: Tratamientoaeróbico y anaerobio.

En el caso de la “digestión anaerobia”, solo se le empleaba para el tratamientode lodos, generados en el tratamiento aerobio. Inicialmente los digestores anaerobios nocontaban con un sistema de mezclado, ni de calentamiento, además los tiempos deresidencia hidráulica (TRH), y de residencia de sólidos (TRS); eran iguales, estos sonconocidos como reactores de baja tasa. En la actualidad incorporan en su configuraciónsistemas mecánicos de mezclado, calentamiento del material a digerir (lodos a aguasresiduales), un sistema de captación y aprovechamiento de los gases de metano, y unsistema de recirculación con lo que es posible aumentar la concentración de biomasadentro del reactor (reactores de alta tasa). Este tipo de configuración permite reducir elTRH, aumentar el TRS, así como el aumentar la carga orgánica alimentada al reactor.

Las variantes y desarrollos más importantes de estos reactores son:

q Proceso de contactoq Filtro anaerobioq Reactor con clarificador integradaq Reactor con lecho fluidizado o expandidoq Reactor con lecho fijo

La elección de un proceso o su combinación depende de los requisitos de calidadrequeridos por la legislación vigente del sistema de pretratamiento de la disponibilidadde terreno y de consideraciones económicas.

En la Tabla No. 9, se presenta una comparación de las ventajas y desventajas de losmétodos anaeróbicos y aeróbicos de tratamiento, además de sus combinaciones.

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Tabla No. 9. Ventajas y desventajas de los métodos biológicos

TRATAMIENTOη (%) VENTAJAS DESVENTAJAS

Aerobio 70

• Proceso rápido• Alta calidad del

efluente (DBO5,DQO), apto paradescargas deaguas residuales

• Necesitasistema deaireación (gastoenergético)

• Más residuos delodos

Anaerobio 60

• Menor gasto deenergía

• Aprovechamientode gas

• Pocos residuos delodos

• Procesoseficientes pararesiduos líquidosde con. Altas(>1000- 2000 mgDBO5/L)

• Proceso lento• Muy complejo y

sensible• Reactores

voluminosos• Costos altos de

construcción• Calentamiento

adicional

Anaerobio/aerobio 78

• Más rápido y másestable que elprocesoanaerobio simple

• Aprovechamientode gas

• Alta calidad delefluente

• Necesitasistema deaireación

• Usacalentamientoadicional

Fuente: Böhnke et al 1993 en CONAMA

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6.2.1. REACTOR ANAEROBIO DE LECHO SUSPENDIDO INVERSO

Una de las propiedades de las colonias de los microorganismos es el formarbiopelículas, así como la capacidad de absorber los contaminantes de las aguas; estasbiopelículas suelen emplearse en: reactores de lecho fijo, móvil o fluidizado, reactoresde lodos activados o bien suspendidos.

En este caso el reactor empleado para el tratamiento de las aguas residuales delcanal de Cuemanco, Delegación de Xochimilco (CIBAC); es un reactor anaerobio delecho suspendido inverso, constituido por tres tanques de polietileno en cascada quellevan en su interior una columna de poliéster-fibra de vidrio, que tiene en la partesuperior un plato distribuidor y en la parte inferior cuatro salidas circulares. En lacolumna se coloca el soporte para las biopelículas, constituido por partículas depolietileno de baja densidad, que al separarse una de otra por el arrastre producido por lavelocidad del líquido aumentan el área de crecimiento y de contacto entre la biopelículay el agua.

El agua se alimenta a la columna por la parte superior (el flujo expande el lechosuspendido) y sale en el fondo de esta. Luego asciende por el espacio anular entre lacolumna y la pared del tanque hasta la salida que se encuentra en la parte superior delcuerpo cilíndrico, conduciendo la salida del reactor a otro reactor anaerobio que estaconectado directamente a él, formando una cascada de tres reactores (ver Figura 3).

Condiciones de operación del reactor: Temperatura: 10 °C – 35 °C Presión: 580 mmHg pH: 6.5 – 7.3 Flujo: 250 lt / hr

NOTA: Ver más detalladamente en los apéndices.CAo

CA1

CB1

CA2

CB2

CA3

CB3

Figura 3. Diagrama de la serie de reactores anaerobios de lecho suspendido inversos.

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6.2.2. MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO

Todas las ventajas derivadas de este reactor, están en función de la habilidad deestas de retener altas concentraciones de biomasa, como una película adherida a unsoporte, por ello es esencial poder comprender el mecanismo de formación de esta, parapoder llevar a cabo una adecuada aplicación de esta tecnología.

6.2.3. FORMACIÓN DE BIOPELÍCULA

Las bacterias crecen en pequeños enclaves llamados microcolonias. Estánformados por una sustancia blanda y pegajosa secretada por ellas mismas que absorbeagua y atrapa partículas pequeñas. Esta sustancia o baba espesa, a la que formalmente se llama la matrizextracelular, mantiene unidas las microcolonias, formando una película biológicaconstituida por una infinidad de grupúsculos, separados por una red de canales, donde ellíquido (agua + materia orgánica) fluye por esos diminutos conductos y baña cadacongregación microbiana, aportando nutrientes disueltos y eliminando productos dedesecho (metano, CO2), (ver Figura 4).

Las células situadas en la periferia de una microcolonia están bien alimentadaspor el sistema de flujo, mientras que las del interior permanecen sometidas a un bajo yrestringido suministro de alimento. Esto es debido a la densa agregación de células quelas rodean y la matriz orgánica que las mantiene unidas, la cual actúa de barrera para elflujo de agua, por lo que estas células del centro de la colonia tienen que sobrevivir conlos nutrientes que se difunden hacia ellas.

Mientras el flujo se va difundiendo por la biopelícula microbiana, existe laposibilidad de reaccionar químicamente (observando una serie de reacciones enparalelo), por lo que da lugar a cambios ambientales del medio (pH, DQO, etc.), depequeña escala dentro de la biopelícula, que permiten estimar las condiciones dereacción y del estado fisiológico de las bacterias, las cuales pueden variar en tiemposcortos y distancias.

(1) células bacterianas que flotan (2)Las células agrupadas comienzan

libremente, se depositan sobre a segregar la espesa matriz, inter-

una superficie, y se fijan. tercambian señales para multipli--

carse y formar una microcolonia.

Figura No. 4. Formación de la biopelícula.

CONDUCTOS

BACTERIAS

FLUJO DEAGUA

POLIETILENO+ PELICULABACTERIANA

BIOPELICULA

POLIETILENO(SOPORTE)

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Estos tipos de cambios son considerados como diversidad de ambientesquímicos que surgen dentro de una misma biopelícula implicando que una célula seadiferente a su forma de actuar a las demás, a pesar de que sean iguales genéticamente, ylo que permite que varias especies bacterianas vivan una a lado de la otra sin problemas,y lo que una elimina como desecho le sirva de alimento para otras.

Esta biopelícula, permite que otras bacterias que se encuentran dispersas en elagua residual se adhieran y degraden la materia orgánica presente en ella. Todo estotiene que ver con el tipo de sustrato donde se fijan; ya que a mayor área de contacto ode exposición con el flujo, permite mayor adherencia de estos microorganismos.

6.2.4. CARACTERISTICAS DE LA BIOPELICULA

Esta es una matriz gelatinosa, formada primordialmente de carbohidratos, loscuales se polimerizan en polisacaridos lineales o, ramificados. La biopelícula actúacomo un pegamento donde se retienen las colonias de microorganismos.

Las propiedades de esta, dependen del medio en el cual se encuentran encontacto la superficie de esta.

PROPIEDADES FÍSICAS

Ø ESPESOR DE BIOPELICULA

Aunque la masa de la biopelícula depende del espesor de esta, no ocurre lo mismocon la velocidad de conversión del sustrato, debido a la resistencia a la transferencia demasa impuesta por la estructura gelatinosa de la biopelícula. Se ha observado que lavelocidad de degradación se incrementa linealmente, con el espesor de la biopelícula,hasta un cierto espesor. Cuando dicho espesor permanece menor a un cierto valor críticola biopelícula permanecerá activa, pero cuando se excede de este valor, solo una porciónde la biopelícula permanecerá activa. En consecuencia, un incremento en el espesor dela biopelícula no tiene correspondencia en el incremento en la velocidad de conversión.

En los reactores anaerobios de lecho suspendido inverso el espesor debiopelícula puede ser mantenida a un valor constante mediante el control de la longituddel lecho (cama de polietileno “soporte”), junto con la eliminación del exceso debiomasa adherida. Por este medio, se ha logrado mantener el espesor de biopelícula,aproximadamente 100 micrones.

Ø DENSIDAD DE BIOPELICULA SECA(18)

Mulcachy y la Motta, observaron que existe una profunda relación entre la densidadseca de la biopelícula y el espesor de esta. Conforme crece el espesor, la densidad secade esta disminuye. Esta disminución de la densidad seca, es una característicaimportante que debe ser tomada en cuenta en el diseño de los reactores.

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Ø TRANSFERENCIA DE MASA

La estructura gelatinosa de la biopelícula, tiende a disminuir el transporte delsustrato a través de esta. Esto provoca que la concentración de sustrato alrededor de losmicroorganismos que se encuentran dentro de la biopelícula sea menor que la existenteen el seno del líquido. Entonces, el transporte de masa a través de la biopelícula debe sertomada en cuenta para el diseño del reactor anaerobio de lecho suspendido inverso (Verapéndice F).

Ø COMPOSICIÓN QUÍMICA

La composición orgánica de las biopelículas varía de acuerdo con la composicióndel seno del fluido. Estas están altamente hidratadas, alrededor de 96 % de agua.

6.2.5. FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE LA BIOPELÍCULA

Entre los principales factores se encuentran:

♦ Polisacáridos. Los microorganismos, secretan polisacáridos, los cuales les permitepermanecer juntos; estos compuestos poseen altas propiedades absorbentes.

♦ Características y concentración del sustrato. La naturaleza del sustrato afecta laproducción de polisacáridos. Los carbohidratos estimulan el crecimiento de labiopelícula. En cambio son inhibidos por la presencia de coloides inorgánicos,igualmente, también es estimulado por la presencia de nutrientes como nitrógeno,fósforo y azufre.

♦ Condiciones ambientales. A pH neutro se produce el mayor crecimiento debiopelícula y de producción de polisacáridos; se observan crecimientos máximos,cuando el pH se mantiene neutro, a temperaturas de 15 a 35 ºC.

♦ Hidrodinámica. En este caso hay que tener cuidado con el tipo de flujo (velocidad)al cual se esta alimentando al sistema, ya que puede surgir dos casos, uno cuando lavelocidad es alta su crecimiento es alto y cuando la velocidad es baja su crecimientoes bajo.

7. CINÉTICA DEL PROCESO

En los reactores anaerobios de lecho suspendido inverso, prácticamente toda labiomasa se encuentra adherida al soporte. Para que pueda llevarse a cabo lametabolización del sustrato este deberá ser transportado desde el seno del líquido hastala interfase biopelícula – líquido (transferencia de masa externa). Posteriormente estransportado al interior de la biopelícula (transferencia de masa interna) (Ver apéndice By F), donde finalmente se lleva a cabo la conversión del sustrato a través de la

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biopelícula; la consistencia gelatinosa de esta última tiende a retardar el transporte,causando que la concentración del sustrato sea menor en la vecindad de losmicroorganismos que la existente en el seno del líquido.

La velocidad a la cual el sustrato (fuente de energía o nutriente) es consumidoestá generalmente relacionado con la velocidad de crecimiento microbiano. Siguiendo elmodelo que caracteriza el crecimiento microbiano y la conversión relevante a velocidadde sustrato.

xdtdxrp µ==

La variación de la concentración de la biomasa con el tiempo puede expresarsetambién a través de la ec. de Monod.

+

=s

máx kSS

µµ

La ec. de Monod puede ser linealizada para facilitar las determinaciones de µmáxy ks desde información experimental.

máxmáx

s

Sk

µµµ111

+=

Se gráfica 1/µ versus 1/S, la pendiente ks/ µmáx y el interceptor es 1/µmáx. Encasos donde el sustrato no es limitante (ks es mucho menor que S), la ec. de Monod sereduce a una de orden cero, mientras que en el caso donde ks es mucho mayor que S, laec. de Monod se reduce a una de primer orden (Ver apéndices A y D). En general para determinar la concentración del sustrato se utiliza la DemandaBioquímica de Oxígeno (DBO5) y la demanda Química de Oxígeno (DQO).

8. TRANSFERENCIA DE MASA

La conversión del sustrato en los reactores anaerobios de lecho suspendidoinverso puede describirse en los siguientes pasos:

1. Transporte del sustrato desde el seno del líquido, hasta la interfase líquido –biopelícula (transferencia de masa externa).

2. Transporte de sustrato dentro de la biopelícula (transferencia de masa interna).3. Reacciones de conversión de sustrato dentro de la biopelícula.

Los pasos 2 y 3, tienen lugar en forma simultánea, por lo que ninguno de elloscontrola la reacción, mientras el paso uno se encuentre en serie con estos pasos (verapéndice B).

Cuando se tienen reacciones que dependen de la concentración del sustrato(reacciones de primer orden, Michaelis Mente, etc.) disminuye la velocidad de reacciónobservada por decrecimiento de la concentración de sustrato intrabiopelícula. Paracinética intrínseca de orden cero, los pasos 1 y 2 pueden hacer que disminuya la

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velocidad de reacción debido a limitaciones de penetración del sustrato dentro de labiopelícula (ver apéndice F).

9. METODOLOGÍA

Para realizar el estudio de la cinética de la reacción, el orden de reacción y conello establecer quien controla el proceso, si los efectos de transferencia de masa o la dereacción; se diseño un reactor anaerobio de lecho suspendido inverso en serie,compuesto de tres etapas semejantes. Cada etapa esta constituida por un tanque depolietileno que lleva en su interior una columna de fibra de vidrio y en la parte inferiorcuatro salidas circulares (Ver Figura No, 5) En la columna se coloca el soporte para las biopelículas, constituido porpartículas de polietileno de baja densidad, las que al separarse una de la otra por elarrastre producido por la velocidad de líquido (250 L/h) aumenta el área de crecimientoy de contacto entre la biopelícula y el agua, formando celdas convectivas que permitenuna expansión del empaque de 30 cm (cama de polietileno con una longitud de 20 cm).

Para la obtención de datos experimentales se realizaron pruebas de pH(phmetro), temperatura (termómetro), mediciones de oxígeno disuelto (oxímetro), y ladeterminación de biomasa adherida en el soporte y aquella suspendida en el agua (através de calcinación a 400 ºC por un tiempo de 40 min.).

En total se realizaron determinaciones experimentales con las cuales seestableció el modelo de cinética. Las condiciones de operación del sistema fueron a unintervalo de temperatura de 14 – 25 ºC, un pH entre 6.5 – 7.3 y un tiempo de residenciade 1: 48 hr por cada reactor; por lo tanto, el tiempo de residencia total aproximado esde 5:24 hrs. (ver apéndice G).

33

DIAGRAMA DE FLUJO

Figura No. 5 Diagrama de Flujo del Proceso (Metodología)

MONTAR EL DISPOSITIVO DE LOS TRESREACTORES ANAEROBIOS EN UN ARREGLO EN

SERIE

COLOCAR LASPARTÍCULAS DE

POLIETILENO (SOPORTE)EN CADA REACTOR

ACONDICIONAR EL SISTEMA(CONDICIONES AMBIENTALES)PARA LA ADHERENCIA DE LOS

MICROORGANISMOS EN ELSOPORTE

REALIZAR LA LECTURA DE CADA UNO DE LOSPARAMETROS MEDIBLES PARA DETERMINAR LA

EFICIENCIA DEL PROCESO, COMO: pH, DQO,TEMPERATURA, LA CANTIDAD DE METANO

PRODUCIDO, ASI COMO EL FLUJO ALIMENTADO Y LALONGITUD DE EXPANSIÓN DEL LECHO NOTA: LASLECTURAS PUEDEN SER REALIZADAS CADA TRES

VECES A LA SEMANA.

CON ESTOS DATOS SE PUEDE ESTABLECER LAEFICIENCIA DEL SISTEMA PARA LA DEGRADACIÓN DEMATERIA ORGÁNICA, AL OBSERVAR UNADISMINUCIÓN DE DQO, MANTENIENDO UN pH ENTRE6.5 – 7.3.

34

10. RESULTADOS

La tecnología aplicada por el tratamiento de aguas residuales en reactoresanaerobios de lecho suspendido inverso en serie, permite la degradación de materiaorgánica en tiempos de residencia largos, obteniendo los siguientes resultados:

DISEÑO DE LA PLANTA Y LOCALIZACIÓN :

La planta piloto ubicada en CIBAC (Centro de Investigaciones Biológicas yAcuícolas de Cuemanco), con dirección en periférico sur s/n, interior deportivoCuemanco, C.P. 16070, Del. Xochimilco, DF, frente a la pista de canotaje olímpica:

Ubicación política: Delegación Xochimilco-Sur de la ciudad de México.

Ubicación geográfica: Al sur a 23 km. del centro de la capital, entre miramontes ysecretaria de marina.

Figura 6. Ubicación de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales(CIBAC)

Antiguo canal de Cuemanco

CIBAC

PistaOlímpicaVirgilioUribe

PeriféricoSur

35

Figura 7. Diseño de la planta piloto de CIBAC

ReactoresAnaerobios

ReactorAerobio

Lecho Vegetal (lirio)

Ozonización

Agua Residualsin Sólidos

Agua Residual conSólidos

Bombas

Contenedores de Agua Residual

Tamizador

Aire

36

Figura A, B, C. Fuerza ejercida del fluido sobre las partículas (polietileno +biomasa)

(A) REACTOR 1

(B) REACTOR 2

(C) REACTOR 3

37

CINETICA DE VELOCIDAD DE CRECIMIENTO:

La velocidad a la cual el sustrato (fuente de energía o nutriente de losmicroorganismos) es consumido está generalmente relacionado con la velocidad decrecimiento microbiano.

En el tratamiento de aguas residuales en CIBAC, se trabaja con microorganismosdonde el sustrato no es el limitante y la velocidad de consumo del sustrato es de primerorden.

p

dxr xdt

µ= =

Esta tasa o velocidad de crecimiento se puede determinar utilizando una expresióncomo la ecuación de Monod,

maxs

SS k

µ µ

= +

Y relacionando las ecuaciones anteriores que caracterizan el sistema, se obtiene unaecuación lineal

max max

1 1 1*skSµ µ µ

= +

A partir de resultados experimentales se obtienen los valores siguientes:

Tabla 10. Resultados para la velocidad de crecimientoDQOprom(mg/l)

x (mg/l) µ (h-1) µmáx (h-1) ks (mg/l)

Reactor 1 1.6 52.22 0.0102 7.14*10-3 0.13280.667 62.82 0.00390.35 45.93 0.0051

Reactor 2 1.4 48.85 0.0077 1.52*10-2 1.4740.550 72.14 0.0040.3 46.44 0.0026

Reactor 3 1.32 42.7 0.0092 1.18*10-2 0.45440.583 55.13 0.00630.275 39.2 0.0045

Nota: Las graficas de estos datos para establecer los valores de las variables (x, µ, µmáx, ks) seencuentran en el apéndice A.

De acuerdo a los valores de ks y S (DQO) se comprueba que la reacción es deprimer orden irreversible en el reactor 2; debido a que ks > S.

En el reactor 1 y 3 ks < S esto implica que la velocidad de reacción es de ordencero irreversible.

NOTA: Para cada corrida en cada reactor se toma un promedio para poder comprobar larelación de ks y S

38

PASO CONTROLANTE EN LA DEGRADACIÓN DE MATERIAORGÁNICA:

Se analiza la trasferencia de masa interna y externa al igual que la reacción, en lasuperficie tanto interna como externa, obteniendo lo siguiente. (Figura 8, Apéndice B).

Figura 8. Transferencia de masa interna y externa

- El valor del factor de efectividad para nuestro sistema es:

ηà 1.0

Como η→ 1: esto indica que la reacción es instantánea y los fenómenos detransferencia de masa son los que controlan el proceso; es decir, la transferencia demasa externa desde la superficie interna hasta el seno de biomasa es quien controla elproceso de degradación de materia orgánica en los birreactores. Además, los canalesformados en la biopelícula son tan estrechos que la difusión de materia orgánica nopenetra hasta la última capa (adherida al polietileno); y la ultima capa demicroorganismos, son microorganismos viejos o muertos, que son renovados por unosnuevos.

- De acuerdo a la ecuación siguiente se estima la importancia de las resistenciasinternas o externas desde el seno del fluido hasta la superficie externa de labiopelícula.

Figura 9. Representación de la velocidad de reacción y la difusión externa

39

7

7

3.80*10*3.80*10

s b

b

S SYS

µ

−

−=

+

Para cada reactor:

- Se tiene tres constantes de velocidad de reacción diferentes para cada corrida Sb= DQOà se toma un promedio de cada corrida.

- A partir de los datos obtenidos para Sb (ver la apéndice F), vemos que ladiferencia de Sb y Ss está en el rango de 99.43% a 99.95% esto implica que estánmuy alejados para ser Sb = Ss, por tanto la reacción no controla y podemos decirque Ssà 0, esto implica que la difusión externa controla.

FUERZAS EJERCIDAS DEL LÍQUIDO SOBRE LA PARTÍCULA(POLIETILENO + BIOMASA):

Analizando una partícula de polietileno recubierta de biomasa, sobre la que elflujo desciende de manera vertical.

Figura 10. Representación de fuerzas involucradas en la partícula

Las fuerzas involucradas entre la partícula, fluido (agua + materia orgánica) son: lafuerza normal (Fn) y la fuerza tangencial (Ft): (ver Apéndice E).

FLUJO (Q0)

y

Fn

Ft z

x

40

Por lo tanto la fuerza total (F) del fluido sobre la partícula, viene dada por la sumade las dos fuerzas, la fuerza normal y la tangencial.

tn FFF +=

∞+= RvgRF πµρπ 634 3

La fuerza necesaria para mover la partícula en el seno del líquido, que el lecho(cama) se expanda y se origine una agitación en el reactor es de:

Ns

KgmxF == −2

041090.1

MODELO DE TRANSFERENCIA DE MASA

Tabla 11. Valores de WA para cada reactor en distintas corridas

REACTOR Sb Ss NA WA(g/m3) (g/m3) (g/m3s) (g/s)

REACTOR 1semana 1 1.6 0.00726 0.000293064 1.00228E-07semana 2 0.667 0.00152 0.000122448 4.18773E-08semana 3 0.35 0.00021 6.43614E-05 2.20116E-08



El balance de materia en el interior de la partícula esta expresado en el siguientemodelo matemático. (Apéndice F)

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

s

DD

DD

DD

DD

s S

rsenhrr

rrsenh

r

rsenhrr

rrsenh

r

drdJ

ef

ef

efef

ef

ef

efef

+

−

+

−

=µ

µ

µµ

µµ

µµ

1cosh

cosh*1

1cosh

cosh*1

1

21

1

41

MODELO MATEMÁTICO DEL REACTOR ANAEROBIO DELECHO SUSPENDIDO INVERSO:

DISEÑO DEL REACTOR La operación de un reactor de tanque agitado enzimático homogéneo, se puederepresentar esquemáticamente de acuerdo a la siguiente Figura 12; en la que unacorriente con materia orgánica (flujo volumétrico) Q1 y concentración SA se mezclaperfectamente y se obtienen como productos de la degradación de materia orgánica, labiomasa y metano.

Figura. 12. Diseño de un reactor anaerobio de lecho suspendido inverso

En cada punto del reactor (sistema) la concentración de materia orgánica es cte.;debido a la formación de celdas convectivas por la velocidad del flujo en laalimentación; originando que todas las partículas se mezclen en todo el reactor.

Según mostramos en el Apéndice D, el modelo matemático para el reactoranaerobio de lecho suspendido inverso es:

LQ

rSS AA 0

20

−=Ω

π

Donde:

Ω = tasa de degradación de materia orgánica debido al crecimiento de biomasa,en función de la longitud del empaque y del flujo alimentado al reactor, con las

siguientes unidades [=] 3hmmg

Analizando los valores experimentales del flujo volumétrico (Q0) y la longitud(L) que involucra el espesor del empaque (cama + su expansión); se obtiene un puntoóptimo, considerando distintos casos, de acuerdo a la gráfica mostrada en el apéndiceD.

L

QA = 250 L/h

42

MODELO DIMENSIONAL:

ANALISIS DIMENSIONAL PARA EL SISTEMA

- ANÁLISIS DIMENSIONAL DEL REACTOR

La relación entre variables que afectan la degradación de la materia orgánicaen el sistema de reactores anaerobios de lecho suspendido inverso, (velocidad decrecimiento de biomasa, aumento de la concentración de biomasa por asimilación de lamateria orgánica), se escribe de la siguiente manera:

fs (µ, x, e, Pp, d, v, ρ, µv, l)

A partir de un análisis dimensional del método π Buckingham, se obtienenlos siguientes parámetros dependientes de la biomasa, espesor del empaque y lavelocidad de crecimiento. (Ver Apéndice C).

2, , , , ,* * *

vPp d v lfe e e x x e e

µρµ µ

TIEMPO DE RESIDENCIA:

- Para un reactor continuo de tanque agitado- Primer orden- Irreversible

Se tiene un tiempo de residencia para un reactor:

450250

τ = = 1h,48min

En los tres bioreactores en serie es de:

τ = 5h, 24min

43

11. DISEÑO DE LA PLANTA PILOTO

El rediseño de la planta piloto se basa principalmente en el ya existente;desarrollado en la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa encolaboración con Unidad Xochimilco de la misma institución, ubicada en CIBAC(Centro de Investigaciones Biológicas y Acuícolas de Cuemanco), con dirección enperiférico sur s/n , interior deportivo Cuemanco, C.P. 16070, Del. Xochimilco, DF (verFigura 13), frente a la pista de canotaje olímpica; que en general, el lugar tiene lanecesidad de limpiar sus aguas, mostrando las siguientes características generales delsitio:

Categoría: Parque Ecológico de Xochimilco con denominación de A.N.P. (área naturalprotegida).

Fecha de decreto: 1984, en 1987 la UNESCO la declaró Patrimonio de la Humanidad.

Infraestructura: El parque cuenta con invernaderos, centros información, muestraarqueológica, lago silvestre, fauna, actividades deportivas y animales en rehabilitación.

Problemática: Contaminación del agua por basura doméstica, animales en peligro deextinción.

Tipo de ecosistema: Acuático, zonas húmedas, chinampa cálida, teniendo un bosquetemplado.

Flora: Hortalizas y plantas de ornato, rosas, alcatraces y margaritas, árboles de pino yeucaliptos.

Fauna: Fauna acuática, aves e insectos, patos, cuervos, roedores, víboras y conejos.

Acciones para la conservación del área: Limpiar y oxigenar debidamente el agua,reducir la salinidad y distribuirla de modo que existía permanentemente un flujo de Sura Norte.

Clima: Templado sub-húmedo con temperatura media de 15 °C; precipitación anual de77 mm; al suroeste, la mayor altitud determina que la temperatura media disminuyahasta los 11 °C y la precipitación aumente a 1 200 mm anuales. Existen masas de airehúmedo en verano y parte de otoño, debido a la influencia de los ciclones tropicales.Vientos dominantes del sur oeste la mayor parte del año y, del norte y noroeste en elotoño.

Hidrografía: La mayor parte de los ríos y arroyos han sido desviados de sus caucesnaturales, a través de canales o entubados, como los ríos Tlalnepantla, San Joaquín, LaPiedad, Becerra, Mixcoac y Churubusco; sólo los ríos Los Remedios y Magdalenatienen un tramo libre. La cuenca cerrada en la que se localiza el Distrito Federal fueabierta artificialmente hacia el río Tula, para evitar las inundaciones, a través del tajo deNochistongo y el túnel de Tequisquiac. Varias presas se construyeron para almacenaragua y regular su distribución, como las de San Joaquín, Tecamachalco, Santa Fe,Anzaldo y Santa Lucía. El lago de Xochimilco ha quedado como fuente acuosa natural,con poca profundidad; se ha perdido el 99 % del área lacustre.

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Zonas Hidrológicas de Estado de México.

Fotografía tomada desde el Canal Cuemanco, al fondo Xochimilco. Vista hacia SierraChichinautzin.

Figura 13. Localización y ubicación de la planta piloto (CIBAC), DelegaciónXochimilco

Ahora bien, para mejorar ciertas condiciones sanitarias de los asentamientoshumanos irregulares aledaños al canal de drenaje, se diseña la planta de Tratamiento de

45

Aguas Residuales, donde este consiste en un tratamiento versátil por biodegradación demateria orgánica y una amplia gama de los efluentes domésticos, con una elevadacontaminación orgánica, planteando una solución óptima para múltiples problemas deaguas residuales (ver Figura 7).

El proceso para el tratamiento de aguas residuales comienza con la extracción deagua del canal, donde es bombeada a un tanque de almacenamiento a 3.3 m. sobre elnivel del suelo, después esta agua pasa al reactor de lecho suspendido inverso (Reactor1) que contiene bacterias anaerobias que se nutren de microorganismos y materiaorgánica, lo que beneficia de forma acelerada los procesos naturales de degradación. Elagua pasa después a otros 2 reactores idénticos al primero (colocados de formaescalonada que proporciona la presión necesaria para que el líquido fluya), después aotro reactor aerobio de lecho escurrido, en el que se alimenta el agua a tratar a un platodistribuidor colocado en la parte superior a contracorriente, por el fondo se alimenta airey por ahí sale tanto el agua tratada como lodos y biomasa que se desprende, el agua sealimenta a la columna por la parte superior y sale por el fondo de la columna, despuésel agua es traslada de esta etapa a un tratamiento de plantas acuáticas para la remociónde metales pesados, utilizando lirio acuático; posteriormente se pasa a un ozonizadorpara la eliminación de color, sabor y patógenos; obteniendo así finalmente el diseñoque nos permite tener el agua deseada a partir de las características que demuestran elrehúso de la misma.

CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA

Ø La capacidad de la planta de tratamiento de agua residual es de 5000 L/ día(250 L/h), a medida de incrementar la capacidad a 8000 L/ día. Las horas deoperación planeadas de la planta, puede ser de 24 horas debido al arreglo by-pass y el sistema de arranque y paro automático, pero considerando 20 horasde operación se obtiene la capacidad real mencionada anteriormente.

Ø Soporte muy pequeño (diámetro de 0.32 cm y peso de 0.015 g.)que permitemantener en el reactor altas concentraciones de biomasa con un áreaespecifica notoriamente elevada

Ø El 20 % del volumen del reactor esta relleno con material de soporte(polietileno de baja densidad)

Ø Altas velocidades de degradaciónØ Soporta altas cargas orgánicasØ Producción de biogás (metano CH4 y dióxido de carbono CO2), con alto

rendimientoØ Alta tolerancia a los sólidosØ Baja producción de lodos excedentes (2-5 %), no es necesario el tratamiento

de estos lodosØ Bajo consumo de productos químicosØ Bajos costos de energíaØ Mantenimiento reducidoØ Tamaño compactoØ Sistema de construcción modularØ Datos de funcionamiento estables y constantesAunque tiene ciertas desventajas tales como:

46

- Arranque lento y difícil- Difícil e incierto su escalamiento (de acuerdo de las propiedades del agua a

tratar).- No soporta grandes periodos de tiempo sin alimentación

Un análisis comparativo con el tratamiento aerobio; se sabe que el anaerobioviene condicionado por el lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano. Ellento crecimiento de las bacterias obliga a tiempos de retención más dilatados paraconseguir una adecuada estabilización de los residuos. No obstante, este bajocrecimiento implica que sólo una pequeña parte del residuo orgánico biodegradable estasiendo sintetizado en forma de nuevas células. Mediante la acción de las bacteriasmetanogénicas, la mayor parte del residuo orgánico se transforma en metano, que es ungas combustible y, por ello, un producto energético final útil. Si se producen cantidadessuficientes de metano, como ocurre en el tratamiento de los fangos de aguas residualesmunicipales, el gas se puede emplear para la generación de energía o para proporcionarcalefacción a los edificios del centro de investigación.

11.1. DIMENSIONES DE LA PLANTA

La planta de tratamiento tiene las siguientes dimensiones, contando con el siguienteequipo y material:

Tabla 12. Dimensiones y Equipo de la Planta de Tratamiento.Equipo Material Dimensiones

Tubería del canal a labomba

PVC de 3/4 in. Longitud de 1.40 mts.vertical al suelo y 5.0 mts.horizontal hasta la bomba

Bomba centrífuga (B 1) Acero ¾ hpTubería de la bomba al

tanque de almacenamientoPVC de 3/4 in. Longitud de 3.30 mts.

vertical y 2.0 mts.horizontal hasta el tanque

Flotador automático Plástico, con varilla dealuminio y detector de

bronce

Doméstico general

2 Tanques dealmacenamiento (T. A.)

Plástico con recubrimiento Capacidad de 450 L, alturade 1.10 mts.

Tubería de T.A. 1 a Reactor1

Plástico Diámetro de 1 ½ in ylongitud de 20 cm.

Válvula de tipo bola Plástico 1 ½ in.Reactor de lecho escurrido

inverso (R 1)Plástico con recubrimiento -Diámetro de 84 cm.

-Longitud de 1.10 mts.-Altura del empaque 20 cm.-Diámetro del empaque 54

cm.-Altura del tubo de

poliéster-fibra de vidrio,soporte del empaque 73cm.

-En el fondo del reactor

47

cuenta con otro válvula depurga de 1 ½ in.

Tubería de R 1 a Reactor 2 Plástico Longitud de 30 cm., con 2in de diámetro.

Válvula de tipo bola Plástico 1 ½ in.Reactor de lecho escurrido

inverso (R 2)Plástico con recubrimiento -Diámetro de 84 cm.

-Longitud de 1.10 mts.-Altura del empaque 20 cm.-Diámetro del empaque 54

cm.-Altura del tubo de

poliéster-fibra de vidrio,soporte del empaque 73cm.

-En el fondo del reactorcuenta con otro válvula de

purga de 1 ½ in.Tubería de R 2 a Reactor 3 Plástico Longitud de 35 cm. con 1 ½

in de diámetro.Válvula de tipo bola Plástico 1 ½ in.Reactor de lecho escurridoinverso (R 3)

Plástico con recubrimiento -Diámetro de 84 cm.-Longitud de 1.10 mts.-Altura del empaque 20 cm.-Diámetro del empaque 54cm.-Altura del tubo depoliéster-fibra de vidrio,soporte del empaque 73cm.-En el fondo del reactorcuenta con otro válvula depurga de 1 ½ in.

2 Válvulas de tipo bola(superior e inferior)

Plástico 1 ½ in.

Tubería superior de R 3 alreactor aerobio

PVC de ½ in. Longitud de 77 cm. Verticaly 4.20 mts. horizontal

Tubería inferior de R 3 a labomba de recirculación -con válvula de tipo bola

PVC de 1 ½ in. Longitud de 16 cm., conválvula de 1 ½ in.

Bomba (B 2) Acero ¾ hp.Tubería de B 2 a T.A. 2 conválvula de bola

PVC de 1 ½ in Longitud vertical de 2.63mts. y 30 cm horizontal, conválvula de 1 ½ in.

Tubería de conexión T.A. 1y T. A. 2

PVC de 1 ½ in Longitud de 20 cm.

Reactor Aerobio (R.A) 2 Columnas de acrílico,empacadas con anillosrasching, de tubo corrugado.

-Longitud de 90 cm.-Diámetro de 60 cm.-Anillos de 1 ½ x 1 ½ in.

Tubería de R.A. al estanquede plantas acuáticas

PVC de 1 ½ in. Longitud de 1.50 mts.

Estanque de plantas Concreto Longitud de 6.0 mts,

48

acuáticas (P.A.) Ancho de 4 mts. y altura de3.50 mts.

Tubería de P.A. alozonizador

PVC de 1 ½ in. Longitud de 2.0 mts.

OzonizadorTanque de almacenamientode agua residual limpia(V=Πr2a)

Concreto -Diámetro de 2.0 mts.-Altura de 2.5 mts.-Volumen de 8000 L

Válvula de tipo bola Plástico 1 ½ in.

En la parte inferior de cada reactor anaerobio esta colocada una tubería parasalida del biogás total. Existen otros materiales del equipo tales como Accesorios(codos, uniones y coples), que están involucrados en los diferentes equipo, en generalse usan codos de 90° de 1 ½ y ½ in (10), uniones de 1 ½ in (18), coples de 1 in (12).

12. ASPECTOS ECONÓMICOS

Una vez mencionado el diseño de la planta es importante ver los aspectoseconómicos que tiene para saber si es factible el rediseño. Tomamos los primerosaspectos tales como inversión fija a partir de:

COSTOS DEL MATERIAL Y CONSTRUCCIÓN.

Tabla 13. Tabla de los costos de material de la PlantaEquipo Costo de material (M.N.)

$Tubería total de PVC 400.00

6 Tinacos de Plástico conrecubrimiento de 450 L.

4800.00

2 Columnas de poliéster 1500.00Soporte (polietileno) 20 Kg 250.00Peptona de Caseína (frasco) 430.00

Levadura industrial 300.00Estanque de plantas

acuáticas *6500.00

Ozonificador 3000.00Tanque de almacenamiento

de agua limpia *8000.00

2 Bombas de ¾ hp. 1700.0012 Válvula de 1 ½ in. 700.00

Accesorios 1000.00Flotador automático 650.00

NOTA: * es el costo total de material y construcciónEntonces la inversión de Material y Equipo es de:

$ 29,230.00 M.N.

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En el proyecto se hizo una inversión en equipo especializado de medición ydeterminación de DQO, Propiedades físico-químicas, pH, etc.; con un costo aproximadode $ 50,000.00 M.N.

Actualmente la planta piloto cuenta únicamente con la instalación de losreactores anaerobios en funcionamiento, están sobre una estructura metálica del cual esel único costo de construcción de la planta hasta ahora reportado. Para el diseño seutilizó un ángulo metálico, económico y resistente, fácil de trabajar para el constructor yse pueden revisar uniones, la mayoría de la estructura fue realizada con el ángulo demedida más grande para que soporte los tinacos y ángulos pequeños para escalera y eltemplete de monitoreo del reactor aerobio, cuenta con pasillos y descansos de lasescaleras que soportan poco peso (ver Figura 15),esto se hizo considerando el factorhumano ya que la altura escalonada de la estructura es de cincuenta centímetros yrequirió de tres escalones de 16.5 cm. para ascender al siguiente depósito, con un anchode escalera y descanso de 60 cm. y la altura del barandal de 85 cm., a continuación sepresentan las siguientes características de material, construcción y costo.

Material Dimensiones Costo M.N. $Angulo metálico

1 ½ x1/8 in2 ½ x 3/8 in

107.57 mts.93.39 mts

850.003600.00

Solera (6x3/8 in) 2.0 mts. 150.00Mano de Obra -------- 5000.00

Total de Construcción:

$ 9600.00 M.N.

50

Figura 14. Estructura metálica de la Planta, donde se encuentran los reactores de lechosuspendido inverso.

Les mostramos la Planta Piloto de Tratamientos de Aguas Residuales de CIBACactualmente.

Fotografía 15. Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en CIBAC.

51

COSTO DE MANUFACTURA

Otro aspecto importante es la energía eléctrica que requieren las bombas y elOzonificador.- 1 bomba trabajando 24 hrs. gasta 3.73 Kw

- 1 ozonificador trabajando 24 hrs. gasta 3.73 Kw- Costo de energía es de 1.892 $ / Kw hr.

3.73 Kw / 24 hr. = 0.16 Kw / hr.* 1.892 $ / Kw hr. = $ 0.29 / hr.Gasto diario total:

0.466 Kw / hr. * 1.892 $ / Kw hr. = $ 0.88 / hr.

Gasto semestral:

COSTO DE MANTENIMIENTO

El costo de mantenimiento se basa principalmente en la inversión total, dando unmantenimiento semestral; de donde tenemos que es igual a:

$ Mantenimiento = 0.04 de la inversión totaldonde:

Inversión total = costo de la inversión + capital de trabajo + capital de inicioCapital de trabajo = 0.15 de la inversión

Capital de trabajo = 6,400.00Capital de inicio = 0.1 del capital fijo

Capital de inicio = 4,270.00Obtenemos que:

Inversión total = 42,700.00 + 6,400.00 + 4,270.00 = 53,400.00

Por lo tanto, el Costo de Mantenimiento (por semestre) es de:

COSTO LABORAL DEL PERSONAL

Se analizó la situación del personal necesario que requiere la Planta Piloto deTratamiento de Aguas Residuales y se requieren 3 personas con jornadas de 8 hrs.diarias rolando turnos, con un pago de:

- salario de $ 43.65- 20 % de prestaciones

$ 3870.00 M.N.

$ 2,150.00 M.N.

52

- 1 semana de vacaciones anuales obligatorios (pagadas)- 20 % de aguinaldo- Clínica médica- Horas extras (pago doble)

Pago por 1 persona:

$ 305.55 semanales $ 61.11 prestaciones

$ 305.55 vacaciones $ 61.11 aguinaldo

Total anual de los 3 trabajadores:

COSTO DEL AGUA

En realidad el agua que nosotros tratamos no tiene ningún costo medido, este seextrae del canal de Cuemanco, además el agua; únicamente se utiliza para el mismocentro de investigación. Aunque si se piensa a futuro el agua se puede tratar y vendercon ciertas especificaciones del tipo de agua tratada y su uso exclusivo (sanitario yagrícola).

Ahora bien, con esta idea se tiene que en el servicio de agua existen dos tipos detarifas: las de servicio medido, para las que se establece un precio de acuerdo con elvolumen de agua que se consume y que se registra con medidor, y las de cuota fija, queconsisten en una cantidad a pagar independientemente del nivel de consumo. En generalel promedio de costo de operación de una planta de tratamiento de aguas residuales, detipo biológica o fisicoquímica, esta en $ 0.80 y $3.60 por m3. De lo cual, analizando el potencial económico (PE) de la planta piloto detratamiento de aguas residuales, para el caso en que esta agua se vendiera, se tiene lasiguiente ecuación:

$ 58482.27 M.N.

PE = m3 / hr. de agua limpia * precio de venta / m3

PE = 0.25 m3 / hr. * $ 3.60 / m3 = $ 0.90 / hr.

PE = $ 650.00 M.N. semestrales

53

13. ASPECTOS AMBIENTALES

ü Procedimiento de Evaluación de Impacto Ambiental (estudios técnicos, urbanos,socioeconómicos y ecológicos).

ü Superar vulnerabilidad y controversia ambientalü Recuperación ecológica e hidrológicaü Prever la anticipación de problemas de tráfico inducidoü Contacto directo de autoridades ambientales federales (SEMARNAT)ü Respetar normas oficiales para Tratamiento de Aguas Residuales

13.1. ASPECTOS DE VIGILANCIA Y CONTROL

- Métodos de muestreo y análisis- Inspeccione sanitarias- Programa de vigilancia y control de la calidad del agua, incluyendo diversos

componentes del sistema (fuentes de abastecimiento, capacitación,conducción, tratamiento, almacenamiento y regulación, distribución).

- Sistema de información con eficaz operación es indispensable para laoportuna toma de decisiones y un vínculo necesario de la calidad del agua.

- Vigilancia epidemiológica en la zona.

13.2. MEDIDAS DE SEGURIDAD E HIGIENE

Es importante contar con las siguientes medidas de seguridad e higiene dentro dela Planta de Tratamiento de Aguas Residuales, tales como:

v Localización de zonas de seguridadv Código de colores de la Plantav Capacitación a los trabajadores de la Plantav Equipo adecuado para los trabajadores de la Planta (guantes, uniforme o bien

ropa adecuada, etc.)v Área de extinguidores (caso de incendio)v Manual general de operación de la Planta (accidentes)v Guía de localización al personalv Botiquín de primeros auxilios y teléfonos de emergenciav Evitar recipientes de almacenamiento oxidadosv Localizar la clínica más cercana

14. APLICACIÓN DEL PROCESO

El proceso de Tratamiento de Aguas Residuales tiene una granaplicabilidad en diversos sistemas y lugares; tomando como ejemplo una zonahabitacional, donde el proceso sería conveniente para el ahorro de agua potable,de tal manera que se sustituya por agua residual tratada para servicio sanitario yde riego para sus jardines, siendo un sistema compacto y de bajo costoeconómico de energía, mínimo mantenimiento y supervisión.

54

Si consideramos el tamaño de nuestro sistema, para este ejemplo setendía un buen abastecimiento, para una comunidad considerable ya que laobtención es de 5000 L/día.

15. CONCLUSIÓN

Para una adecuada expansión del soporte, una velocidad de crecimiento de labiopelícula y una degradación de materia orgánica, el flujo máximo es de 350 l/h con unespesor de 60cm (esto fue a partir del modelo de reactor); basado en una cinética deprimer orden irreversible a partir del valor de ks, reactor 1 = 0.1328, ks, reactor 2 = 1.474, ks,

reactor3 = 0.4544, con un tiempo de residencia de 5h, 24min para todo el sistema, con unatransferencia de masa interna (ηà1) y externa (Ssà 0) que controla el proceso.

A partir de estos resultados que se obtuvieron se puede decir que el reactor que

presenta mayor degradación de materia orgánica es el 2, y el 1 actúa como un

amortiguador al flujo pero no sólo eso sino también degrada materia orgánica; por lo

tanto el arreglo de los tres reactores en serie disminuirá a solo un arreglo de 2

reactores adicionando recirculación en el sistema.

Las fuerzas que ejerce el agua residual sobre la partícula + biopelícula es deN

sKgmxF == −

2041090.1 , suficiente para que la partícula sea arrastrada por el seno del fluido y

forme celdas convectivas originando un mezclado perfecto.

Además considerando aspectos sociales y económicos se tiene que estetratamiento es factible, esto es por aprovechar el agua residual tratada para riego y usosanitario de CIBAC, implicando un ahorro de agua potable y por tanto un ahorroeconómico y energético, que se refleja en el valor del Potencial Económico igual a$650.00 M.N. semestrales.

55

16. RECOMENDACIONES A FUTURAS GENERACIONES

♦ Establecer la hidrodinámica del sistema, involucrando:

§ El modelo matemático que caracterice el movimiento de las partículas en elseno del líquido.

§ Manejar distintos flujos volumétricos en la alimentación del sistema, paraobservar el crecimiento de la biomasa y con ello la cantidad de materiaorgánica degradada.

§ Manejar distintas longitudes del empaque (cama de polietileno) paracorroborar el modelo propuesto.

♦ Experimentar y caracterizar el modelo matemático para el reactor aerobio.♦ Eliminación del tercer reactor anaerobio.♦ Elevación del tanque de almacenamiento.♦ Aplicar otros soportes (como piedra pómez molida).♦ Considerar la recirculación en el sistema.♦ Cambio de instalaciones (tuberías de tubo galvanizado).

17. AGRADECIMIENTOS

§ ING. URIEL ARECHIGA VIRAMONTES§ ING. QFB. PATRICIA MARTÍNEZ

§ DR. OSCAR MONROY

§ DR. HILARIO GARCÍA

§ DR. ALBERTO SORIA§ DR. JAIME VERNON

§ DR. CARLOS CABALLERO§ DR. JUAN OLVERA

§ GLORIA MARTINEZ§ DR. RICARDO LOBO

§ DR. ALBERTO OCHOA

56

18. BIBLIOGRAFÍA

(1) JAMES. E. (1986). Chemical Engineering Fundamental; 2da. ed. Ed. Mc- Graw-Hill. E.U. Pp. 7-73.

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http://www.aguambiente.com/4d/ink2/4daction/agu

58

19. APÉNDICES

19.1 APÉNDICE A.

CINÉTICA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS

La velocidad a la cual el sustrato (fuente de energía o nutriente de losmicroorganismos) es consumido, se relaciona con la velocidad de crecimientomicrobiano. El tratamiento de aguas residuales en CIBAC, se trabajan con microorganismosdonde el sustrato no es el limitante y la velocidad de consumo del sustrato es de primerorden;

p

dxr xdt

µ= = à Ec (1A)

Donde:var _ _ ._ _dx iacion de concentrac de biomsa

dt tiempo=

x = concentración de biomasa = _ _ __ _

masa de mocroorganismos activosvolumen del sistema

µ = velocidad de crecimiento especifica (t-1)

Esta tasa o velocidad de crecimiento se puede determinar utilizando una expresióncomo la ecuación de Monod, ver la siguiente Ec. 2A

maxs

SS k

µ µ

= + à Ec. 2A

Donde:maxµ = velocidad específica máxima de crecimiento (t-1)

(representa la velocidad de crecimiento en condiciones favorables de nolimitación del sustrato)

ks = coeficiente de velocidad media (constante de saturación)_

_ _masa sustrato

unidad de volumen (Determina la concentración mínima del sustrato con que pueden ser metabolizadaa partir de los microorganismos)

S = concentración del sustrato limitante de crecimiento (materia orgánica)_

_ _masa sustrato DQO

unidad de volumen=

Por tanto: sustituyendo µ en la ec. 1A

59

maxs

dx S xdt S k

µ

= + àEc. 3A

Para encontrar los valores en la Ec.3A se linealiza teniendo lo siguiente (Ec. 4A)

max max

1 1 1*skSµ µ µ

= + àEc.4A

La Ec. 4A es de primer orden por lo que se tiene que satisfacer que ks>>S; con

una pendiente =max

skµ

y la ordenada al origenmax

1µ

Aún no se conocen los datos para una velocidad de crecimiento específica;utilizando la Ec.1

0

0 0

t

p

t

x t

x

dxr xdt

µ≠

=

= =∫ ∫ ;

ln( )x t cteµ= + à Ec. 6ASe tiene datos de la concentración de biomasa (por calcinación) a un determinadotiempo, entonces se grafican estos datos para obtener una pendiente (µ)

Nota: Se obtendrán varias pendientes (µ) a diferentes tiempos, es decir: En una semana se obtienen 6 concentraciones de biomasa a diferentes tiempos

En la segunda semana se obtienen de nuevo otras 6 concentraciones de biomasa a diferentestiempos.

Ahora la velocidad de crecimiento está relacionada con S, se puede hacer unpromedio en cada semana; esto implica que se tendrá un DQO (S) y una velocidad decrecimiento promedio, a partir de lo ya dicho se obtiene el coeficiente de velocidadmedia (ks) y la velocidad de crecimiento máxima con la Ec. 4A. (Se grafica 1/µ vs.1/DQO) Graficas (1 a 13, y las Tablas: 13, 14, 15,16).

60

Tabla. 13. Datos experimentales

DATOSEXPERIMENTALES

# corrida reactor t(dias) biomasa dentro(g)biomasa

muerta(g) metano(ml) metano(g) x(mg/l) ln(x)1 1 0 0.0051 0.0023 4.13 1.9246 27.7433 3.3230 2 0.0006 0.0005 4.73 2.2042 31.8187 3.4601 3 0.0037 0.0004 3.53 1.6450 23.6997 3.1655

2 1 1 0.0002 0.0063 6 2.7960 40.4519 3.7001 2 0.0045 0.0071 5.9 2.7494 39.7286 3.6821 3 0.0022 0.003 5.7 2.6562 38.3572 3.6469

3 1 2 0.0015 0.0025 7.33 3.4158 49.3255 3.8984 2 0.0007 0.0004 7.33 3.4158 49.3068 3.8981 3 0.0014 0.0003 8.33 3.8818 56.0225 4.0258

4 1 3 1E-04 0.0049 11 5.1260 74.0696 4.3050 2 0.0004 0.0048 8.33 3.8818 56.1019 4.0272 3 0.0006 0.0117 8.5 3.9610 57.3423 4.0490

5 1 4 0.0026 0.0044 10.33 4.8138 69.5190 4.24162 0.0002 0.0014 10 4.6600 67.2903 4.20903 0.0005 0.0003 5.33 2.4838 35.8536 3.5794

6 1 5 0.0042 0.0169 7 3.2620 47.2744 3.8560 2 0.0034 0.0025 8.33 3.8818 56.0254 4.0258 3 0.0027 0.0173 5 2.3300 33.8473 3.5219

7 1 7 0.0014 0.0013 8.33 3.8818 56.0370 4.0260 2 0.0017 0.0017 9.33 4.3478 62.7657 4.1394

3 1E-04 0.0031 6.33 2.9498 42.6271 3.75258 1 8 0.0073 0.0029 9 4.1940 60.4822 4.1023 2 0.0197 0.0042 10 4.6600 67.0492 4.2054 3 0.0603 0.0045 8.33 3.8818 55.2329 4.0116

9 1 9 0.0019 0.0034 10 4.6600 67.2946 4.2091 2 0.0027 0.0016 11 5.1260 73.9844 4.3039 3 0.0015 0.0006 9.2 4.2872 61.8782 4.1252

10 1 11 0.0104 0.0142 12.33 5.7458 83.0025 4.4189 2 0.0032 0.0003 15 6.9900 100.8676 4.6138 3 0.0034 0.0017 12.2 5.6852 82.0485 4.4073

11 1 14 0.0011 0.0004 4.33 2.0178 29.1191 3.3714 2 0.0026 0.0022 5.33 2.4838 35.8507 3.5794 3 0.0008 0.0019 4 1.8640 26.9251 3.2931

12 1 16 0.0045 0.0004 5.66 2.6376 38.0173 3.6380 2 0.0014 0.0022 6.5 3.0290 43.7390 3.7782 3 0.0019 0.0012 4.66 2.1716 31.3391 3.4449

13 1 18 0.0125 0.0118 7 3.2620 47.0810 3.8519 2 0.0075 0.0097 7.45 3.4717 50.1501 3.9150 3 0.012 0.0061 6.33 2.9498 42.4986 3.7495

14 1 21 0.0006 0.0013 10.33 4.8138 69.5031 4.2414 2 0.0014 0.0012 8.33 3.8818 56.0355 4.0260 3 0.0005 0.0018 8.33 3.8818 56.0572 4.0264

61

Tabla. 14. Datos experimentales del Reactor 1.REACTOR # 1

biomasa biomasa metano metano DQO DQOprom.

t(dias) dentro(g) muerta(g) (ml) (g) x(mg/l) ln(x) µ (h-1) (mg/l) (mg/l)

PRIMER SEMANA0 0.0051 0.0023 4.13 1.925 27.743 3.323 0.0102 3.1 1.6

24 0.0002 0.0063 6 2.796 40.452 3.700 2.148 0.0015 0.0025 7.33 3.416 49.326 3.898 0.772 1E-04 0.0049 11 5.126 74.070 4.305 1.196 0.0026 0.0044 10.33 4.814 69.519 4.242 1

SEGUNDA SEMANA120 0.0042 0.0169 7 3.262 47.274 3.856 0.0039 1 0.667168 0.0014 0.0013 8.33 3.882 56.037 4.026 0.5192 0.0073 0.0029 9 4.194 60.482 4.102 1216 0.0019 0.0034 10 4.660 67.295 4.209 0.3264 0.0104 0.0142 12.33 5.746 83.002 4.419 1.2

TERCER SEMANA336 0.0011 0.0004 4.33 2.018 29.119 3.371 0.0051 0.3 0.35384 0.0045 0.0004 5.66 2.638 38.017 3.638 0.4432 0.0125 0.0118 7 3.262 47.081 3.852 0.5504 0.0006 0.0013 10.33 4.814 69.503 4.241 0.2

1/µ1/DQOprom.(

mg/l)98.039 0.625

256.410 1.499158.730 2.857

62

Tabla. 15. Datos experimentales del Reactor 2.REACTOR # 2


t(dias) dentro(g) muerta(g) (ml) (g) x(mg/l) ln(x) µ (h-1) (mg/l) (mg/l)

PRIMER SEMANA0 0.0006 0.0005 4.73 2.2042 31.819 3.460 0.0077 2.1 1.424 0.0045 0.0071 5.9 2.7494 39.729 3.682 1.948 0.0007 0.0004 7.33 3.4158 49.307 3.898 0.872 0.0004 0.0048 8.33 3.8818 56.102 4.027 0.896 0.0002 0.0014 10 4.6600 67.290 4.209 1.4

SEGUNDA SEMANA120 0.0034 0.0025 8.33 3.8818 56.025 4.026 0.004 1 0.550168 0.0017 0.0017 9.33 4.3478 62.766 4.139 0.4192 0.0197 0.0042 10 4.6600 67.049 4.205 0.4216 0.0027 0.0016 11 5.1260 73.984 4.304 0.3264 0.0032 0.0003 15 6.9900 100.868 4.614 1.2

TERCER SEMANA336 0.0026 0.0022 5.33 2.4838 35.851 3.579 0.0026 0.2 0.3384 0.0014 0.0022 6.5 3.0290 43.739 3.778 0.3432 0.0075 0.0097 7.45 3.4717 50.150 3.915 0.5504 0.0014 0.0012 8.33 3.8818 56.036 4.026 0.2

1/µ1/DQOprom.(

(mg/l)129.870 0.714250.000 1.818384.615 3.333

63

Tabla. 16. Datos experimentales del Reactor 3.REACTOR #3


t(dias) dentro(g) muerta(g) (ml) (g) x(mg/l) ln(x) µ (h-1) (mg/l) .(mg/l)

PRIMER SEMANA0 0.0037 0.0004 3.53 1.6450 23.700 3.165 0.0092 2.1 1.32

24 0.0022 0.003 5.7 2.4838 35.868 3.580 2.348 0.0014 0.0003 8.33 2.8075 40.514 3.702 0.672 0.0006 0.0117 8.5 3.8818 56.199 4.029 0.496 0.0005 0.0003 5.33 3.9610 57.179 4.046 1.2

SEGUNDA SEMANA120 0.0027 0.0173 5 2.3300 33.847 3.522 0.0063 1.2 0.583168 1E-04 0.0031 6.33 2.9498 42.627 3.752 0.4192 0.0603 0.0045 8.33 3.8818 55.233 4.012 0.6216 0.0015 0.0006 9.2 4.2872 61.878 4.125 0.3264 0.0034 0.0017 12.2 5.6852 82.049 4.407 1

TERCER SEMANA336 0.0008 0.0019 4 1.8640 26.925 3.293 0.0045 0.2 0.275384 0.0019 0.0012 4.66 2.1716 31.339 3.445 0.3432 0.012 0.0061 6.33 2.9498 42.499 3.749 0.4504 0.0005 0.0018 8.33 3.8818 56.057 4.026 0.2

1/µ1/DQOprom.(

mg/l)108.696 0.758158.730 1.715222.222 3.636

REACTOR 1; PRIMER SEMANA

y = 0.0102x + 3.4052R2 = 0.9127

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t(h)

ln(x

)

REACTOR #1; SEGUNDA SEMANA

y = 0.0039x + 3.3737R2 = 0.9948

3.8

3.9

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

110 130 150 170 190 210 230 250 270t(h)

in(x

)

REACTOR #1; TERCER SEMANA

y = 0.0051x + 1.6544R2 = 0.9986

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520t(h)

ln(x

)

REACTOR #2; PRIMER SEMANA

y = 0.0077x + 3.4867R2 = 0.9911

3.1

3.3

3.5

3.7

3.9

4.1

4.3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t(h)

ln(x

)


y = 0.004x + 3.4863R2 = 0.9323

3.8

3.9

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

t(h)

ln(x

)


y = 0.0026x + 2.7426R2 = 0.9481

3.500

3.600

3.700

3.800

3.900

4.000

4.100

300 350 400 450 500 550t(h)

ln(x

)

REACTOR #3; PRIMER SEMANA

y = 0.0092x + 3.2623R2 = 0.9253

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t(h)

ln(x

)


y = 0.0063x + 2.7521R2 = 0.9866

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280t(h)

ln(x

)


y = 0.0045x + 1.7568R2 = 0.9867

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4

4.1

310 360 410 460 510t(h)

ln(x

)

GRAFICA DE MONOD, REACTOR 1

y = 18.613x + 140.15R2 = 0.0687

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

0.5 1 1.5 2 2.5 31/DQO (mg/l)

1/m

(t-1

)

GRAFICA DE MONOD; REACTOR 3

y = 38.519x + 84.776R2 = 0.9851

90

110

130

150

170

190

210

230

250

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41/DQO(mg/l)

1/µ(

h-1)

GRAFICA DE MONOD; REACTOR 2

y = 96.761x + 65.636R2 = 0.9967

100

150

200

250

300

350

400

450

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500

1/DQO (mg/l)

1/m

(h-1

)

GRAFICA DE MONOD DE LA SERIE DE REACTORRES ANAEROBIOS DE LECHOSUSPENDIDO INVERSO

0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000

1/DQO (mg/L)

1/m

(h-1

)

REACTOR 2

REACTOR 1

REACTOR 3

DATOS EXPERIMENTALES

# corrida reactor t(dias) biomasa dentro(g) biomasa muerta(g) metano(ml) metano(g) x(mg/l) ln(x)1 1 0 0.0051 0.0023 4.13 1.9246 27.7433 3.3230

2 0.0006 0.0005 4.73 2.2042 31.8187 3.46013 0.0037 0.0004 3.53 1.6450 23.6997 3.1655

2 1 1 0.0002 0.0063 6 2.7960 40.4519 3.70012 0.0045 0.0071 5.9 2.7494 39.7286 3.68213 0.0022 0.003 5.7 2.6562 38.3572 3.6469

3 1 2 0.0015 0.0025 7.33 3.4158 49.3255 3.89842 0.0007 0.0004 7.33 3.4158 49.3068 3.89813 0.0014 0.0003 8.33 3.8818 56.0225 4.0258

4 1 3 1E-04 0.0049 11 5.1260 74.0696 4.30502 0.0004 0.0048 8.33 3.8818 56.1019 4.02723 0.0006 0.0117 8.5 3.9610 57.3423 4.0490

5 1 4 0.0026 0.0044 10.33 4.8138 69.5190 4.24162 0.0002 0.0014 10 4.6600 67.2903 4.20903 0.0005 0.0003 5.33 2.4838 35.8536 3.5794

6 1 5 0.0042 0.0169 7 3.2620 47.2744 3.85602 0.0034 0.0025 8.33 3.8818 56.0254 4.02583 0.0027 0.0173 5 2.3300 33.8473 3.5219

7 1 7 0.0014 0.0013 8.33 3.8818 56.0370 4.02602 0.0017 0.0017 9.33 4.3478 62.7657 4.13943 1E-04 0.0031 6.33 2.9498 42.6271 3.7525

8 1 8 0.0073 0.0029 9 4.1940 60.4822 4.10232 0.0197 0.0042 10 4.6600 67.0492 4.20543 0.0603 0.0045 8.33 3.8818 55.2329 4.0116

9 1 9 0.0019 0.0034 10 4.6600 67.2946 4.20912 0.0027 0.0016 11 5.1260 73.9844 4.30393 0.0015 0.0006 9.2 4.2872 61.8782 4.1252

10 1 11 0.0104 0.0142 12.33 5.7458 83.0025 4.41892 0.0032 0.0003 15 6.9900 100.8676 4.61383 0.0034 0.0017 12.2 5.6852 82.0485 4.4073

11 1 14 0.0011 0.0004 4.33 2.0178 29.1191 3.37142 0.0026 0.0022 5.33 2.4838 35.8507 3.57943 0.0008 0.0019 4 1.8640 26.9251 3.2931

12 1 16 0.0045 0.0004 5.66 2.6376 38.0173 3.63802 0.0014 0.0022 6.5 3.0290 43.7390 3.77823 0.0019 0.0012 4.66 2.1716 31.3391 3.4449

13 1 18 0.0125 0.0118 7 3.2620 47.0810 3.85192 0.0075 0.0097 7.45 3.4717 50.1501 3.91503 0.012 0.0061 6.33 2.9498 42.4986 3.7495

14 1 21 0.0006 0.0013 10.33 4.8138 69.5031 4.24142 0.0014 0.0012 8.33 3.8818 56.0355 4.02603 0.0005 0.0018 8.33 3.8818 56.0572 4.0264

REACTOR # 1

biomasa biomasat(dias) dentro(g) muerta(g) metano(ml) metano(g) x(mg/l) ln(x) µ (h-1) DQO(mg/l) DQOprom.(mg/l)

PRIMER SEMANA0 0.0051 0.0023 4.13 1.925 27.743 3.323 0.0102 3.1 1.6

24 0.0002 0.0063 6 2.796 40.452 3.700 2.148 0.0015 0.0025 7.33 3.416 49.326 3.898 0.772 1E-04 0.0049 11 5.126 74.070 4.305 1.196 0.0026 0.0044 10.33 4.814 69.519 4.242 1

SEGUNDA SEMANA120 0.0042 0.0169 7 3.262 47.274 3.856 0.0039 1 0.667168 0.0014 0.0013 8.33 3.882 56.037 4.026 0.5192 0.0073 0.0029 9 4.194 60.482 4.102 1216 0.0019 0.0034 10 4.660 67.295 4.209 0.3264 0.0104 0.0142 12.33 5.746 83.002 4.419 1.2

TERCER SEMANA336 0.0011 0.0004 4.33 2.018 29.119 3.371 0.0051 0.3 0.35384 0.0045 0.0004 5.66 2.638 38.017 3.638 0.4432 0.0125 0.0118 7 3.262 47.081 3.852 0.5504 0.0006 0.0013 10.33 4.814 69.503 4.241 0.2

1/µ 1/DQOprom.(mg/l)98.039 0.625

256.410 1.499158.730 2.857

REACTOR # 2


PRIMER SEMANA0 0.0006 0.0005 4.73 2.2042 31.819 3.460 0.0077 2.1 1.4

24 0.0045 0.0071 5.9 2.7494 39.729 3.682 1.948 0.0007 0.0004 7.33 3.4158 49.307 3.898 0.872 0.0004 0.0048 8.33 3.8818 56.102 4.027 0.896 0.0002 0.0014 10 4.6600 67.290 4.209 1.4

SEGUNDA SEMANA120 0.0034 0.0025 8.33 3.8818 56.025 4.026 0.004 1 0.550168 0.0017 0.0017 9.33 4.3478 62.766 4.139 0.4192 0.0197 0.0042 10 4.6600 67.049 4.205 0.4216 0.0027 0.0016 11 5.1260 73.984 4.304 0.3264 0.0032 0.0003 15 6.9900 100.868 4.614 1.2

TERCER SEMANA336 0.0026 0.0022 5.33 2.4838 35.851 3.579 0.0026 0.2 0.3384 0.0014 0.0022 6.5 3.0290 43.739 3.778 0.3432 0.0075 0.0097 7.45 3.4717 50.150 3.915 0.5504 0.0014 0.0012 8.33 3.8818 56.036 4.026 0.2

1/µ 1/DQOprom.(mg/l)129.870 0.714250.000 1.818384.615 3.333

REACTOR #3


PRIMER SEMANA0 0.0037 0.0004 3.53 1.6450 23.700 3.165 0.0092 2.1 1.3224 0.0022 0.003 5.7 2.4838 35.868 3.580 2.348 0.0014 0.0003 8.33 2.8075 40.514 3.702 0.672 0.0006 0.0117 8.5 3.8818 56.199 4.029 0.496 0.0005 0.0003 5.33 3.9610 57.179 4.046 1.2

SEGUNDA SEMANA120 0.0027 0.0173 5 2.3300 33.847 3.522 0.0063 1.2 0.583168 1E-04 0.0031 6.33 2.9498 42.627 3.752 0.4192 0.0603 0.0045 8.33 3.8818 55.233 4.012 0.6216 0.0015 0.0006 9.2 4.2872 61.878 4.125 0.3264 0.0034 0.0017 12.2 5.6852 82.049 4.407 1

TERCER SEMANA336 0.0008 0.0019 4 1.8640 26.925 3.293 0.0045 0.2 0.275384 0.0019 0.0012 4.66 2.1716 31.339 3.445 0.3432 0.012 0.0061 6.33 2.9498 42.499 3.749 0.4504 0.0005 0.0018 8.33 3.8818 56.057 4.026 0.2

1/µ 1/DQOprom.(mg/l)108.696 0.758158.730 1.715222.222 3.636

Sb(mg/l) Sb (g/m3)REACTOR # 1 µ (h-1) DQOprom. µ (s-1) DQOprom. Ss(g/m3) Ss(mg/l) ((Sb-Ss)/Sb)100%1er SEMANA 0.0102 1.6 2.83E-06 1.6 0.283 0.283 82.332a SEMANA 0.0039 0.667 1.08E-06 0.667 0.126 0.126 81.043er SEMANA 0.0051 0.35 1.42E-06 0.35 0.030 0.030 91.42



76

19.2 APÉNDICE B. ¿QUIEN CONTROLA EL PROCESO?

FACTOR DE EFECTIVIDAD (η)

Analizando las expresiones siguientes:

Der µ

φ3

= (1B)

donde:r = radio de la biomasa

µ = cte. De Monod, velocidad de crecimiento de la biomasaDe = difusión efectiva

Y

−=

sss φφφη

31

3tanh11 (2B)

Analizando datos experimentales µ y datos reportados en la bibliografía r y De tienenlos siguientes valores:

De = 1.37 x 10-5 cm2/s ± 2 % (LANG-SHIH FAN)

r = 100 µm ≈ 0.01 cm (JAMES. E) considerada como el máximo crecimiento de labiomasa.

µ = 0.0192 h-1 = 5.33x 10 -6 s-1

por lo tanto sustituyendo datos tenemos que:

5

6

1037.11033.5

301.0

−

−

=xxcm

φ

=φ 2.08x 10-3

77

De esta manera

−= −−− )1008.2(3

1))10*08.2(3tanh(

11008.2

1333 xx

η

ηà 1

Como η→ 1; Los fenómenos de transferencia de masa son los que controlan elproceso, ya que la reacción es instantánea, quien controla el proceso de degradación demateria orgánica en los bioreactores es la transferencia de masa externa. Además, loscanales formados en la biopelícula son tan estrechos que la difusión de materia orgánicano penetra hasta la ultima capa (es decir, la capa adherida al polietileno), y la ultimacapa de microorganismos, son microorganismos viejos o muertos, que son renovadospor unos nuevos.

Una vez visto que desde la superficie hasta el interior de la biopelícula,(transferencia intragranular) son importantes las resistencias externas y se desprecia lasresistencias internas esto implica que solo existe difusión interna y la reacción es nula.

Ahora veamos la importancia de la difusión externa y la reacción, estosresultados los utilizaremos más adelante para el balance de masa en la biopelícula.

Para la transferencia de masa externa:

( )sbmmP SSakr −= à Ec. 3B

Para las resistencias internas

* *P sr x S Yµ µ= = àEc.de primer orden, irreversible

78

Donde:

Y = coeficiente de conversión del sustrato en masa celular [=] mg biomasa/ mg sustrato

igualando y poniéndola en función de SS (Concentración de la superficie)

m mS b

m mb

k aS SYk a Sµ

=+

à Ec. 4B

donde:µ = velocidad de crecimiento = cte.

Obteniendo km por correlaciones para una partícula bañada de líquido:

3/12/1Re6.02 ScSh += à Ec.5B

Defdk

Sh Pm=

donde:dP = diámetro de la partícula

V

Pvdµ

ρ=Re

DefS V

C ρµ

=

Los datos de agua pura a 20 °C y los datos experimentales son:

µV = 9.8 x 10 -4 Kg/msρ = 997 kg/m3

Def = 1.37 x 10 -5 cm2/s = 1.37 x 10-9m2/sQ0 = 250 L/h = 6.94 x 10 -5 m3/sdbiomasa = 0.01 cmdP = 0.32 cm = 3.2 x 10-3md = dP + dbiomasa = 0.33 cm = 3.3 x 10 -3m

3/12/1Re6.02 ScDef

dkm +=

( )3/12/1Re6.02 Scd

Defkm += à 6B

Calculando el Re, sustituyendo en la ec. (6B)

79

donde el área de una esfera es A =4πr2 = πd2

sustituyendo: A = π(3.3 x 10-3)2 m2

Nota: Es un cilindro, el cual lo hacemos equivalente a una esfera de radio R.

Sustituyendo en la ec. de la velocidad del fluido

sm

mxs

mxv 03.2

1042.3

1094.625

35

==−

−

mskgx

mkg

smmx

4

33

108.9

99703.2103.3Re

−

−

=

Re = 6, 815 Flujo turbulento

Calculando el Sc, sustituyendo en la ec. (6B)

48.7171037.1997

108.92

93

4

=

=

−

−

smx

mkg

mskgx

Sc

( )3/12/1Re6.02 Scd

Defkm +=

( )s

mm

m

k

k

4

3/12/13

9

10*84.1

)48.717()6815(6.0210*3.310*137

−

−

−

=

+=

Para el área superficial externa por unidad de masa (am)

am =pdρ

6

3 8_

4 4 1.71*103 3 8

pparticula polietile

dV r −= Π = Π =

_ 0.015particula polietilenom g=

[ ]0Q mvA s

= =

80

3_

_ . 8 3

0.015 877192.91.7*10

partícula polietileno gpartícula polietil m

polietileno

m gV m

ρ −= = =

Se considerará el diámetro de la partícula, incluye la biomasa, por tanto:

( ) ( )2

3

33

6 2.07*103.3*10 * 877192.9

mgm g

m

am

−−

= =

entonces

34 3 7*1.84*10 *2.07*10 3.80*10 m

g sm mk a − − −= =Tomando un promedio para la velocidad de crecimiento especifica en cada reactor, aligual que Sb = DQO

NOTA: Se considera constante KmAmà involucrará el diámetro de partícula es decir la biopelícula,porque el espesor de biomasa como máxima es de 0.01cm y todavía no se llega en nuestros datosexperimentales a este valor.Si se hace un promedio entre el dpartícula + dbiomasa = d a diferentes dbiomasa < 0.01 no varía casi es constanteporque el dpartícula es mucho mayor al dbiomasa y la suma de estos es casi constante

Ahora la velocidad de crecimiento esta en unidades de (1/t) oara que quede en m3/g*s se utiliza laconcentración en el seno del líquido

[ ]3

*b

mS g sµ

=

entonces

*b

m mS bY

m m S

k aS Sk a µ=

+

7

7

3.80*10

3.80*10S b

b

S SS

µ

−

−=

+

Para cada reactor:

REACTOR 1

- Se tiene tres constantes de velocidad de reacción diferentes para cada corrida Sb= DQOà se toma un promedio de cada corrida

- A partir de los datos obtenidos para Sb ver la Tabla 7 vemos que la diferencia deSb y Ss está en el rango de 99.43% a 99.95% esto implica que están muy alejadospara ser Sb = Ss ,por tanto la reacción no controla y podemos decir que Ssà 0 yesto implica que las resistencias externas controlen.

81

19.3 APÉNDICE C.

ANÁLISIS DIMENSIONAL PARA EL SISTEMA

El análisis dimensional se basa en el principio fundamental de que cualquierecuación o relación entre variables tiene que ser dimensionalmente consistente; estoquiere decir, que cada término de la relación tiene que tener las mismas dimensiones.Por lo que, la elección de las variables físicas a introducir en un análisis dimensionaldebe de basarse en el conocimiento de la naturaleza del fenómeno (objeto de estudio)

Debido a la necesidad de cambio de escala, es vital realizar un análisisdimensional de las variables características del sistema, recurriendo al Teorema de π deBuckingham, que establece que el número de grupos adimensionales es igual al númerode variables menos el número de dimensiones fundamentales. En términos matemáticos,esto se puede expresar de la siguiente forma:

f1(Q1,Q2,......Qn) = 0 ;

y f2(π1, π 2,......, π n-m) = 0

Donde:n = variablesm = dimensiones fundamentales

El análisis dimensional es una herramienta muy útil es ingeniería química,por cuanto muestra las posibles formas en que se pueden agrupar las variables queintervienen. Es también una herramienta peligrosa, puesto que puede conducir aresultados incorrectos si no se conoce la naturaleza física del problema, y puede llevar aconclusiones falsas si se omite una variable significativa del problema. Porconsiguiente, es preciso utilizarlo con precaución.

- ANÁLISIS DIMENSIONAL DEL REACTOR

La relación entre variables que afectan la degradación de la materia orgánicaen el sistema de reactores anaerobios de lecho suspendido inverso, (velocidad decrecimiento de biomasa, aumentote la concentración de biomasa por asimilación de lamateria orgánica), se puede escribir así:

fs(µ, x, e, Pp, d, v, ρ, µv, l)

82

Donde:µ à velocidad de crecimiento [=] (h-1)x à biomasa [=] g/cm3

e à espesor de la cama (empaque) del reactor [=] cmPpà tamaño de partícula [=] cmd à diámetro del reactor (sólo empaque) [=] cmv à velocidad del flujo [=] cm/sµvà viscosidad del flujo [=] g/cm sρ à densidad del fluido [=] g/cm3

l à longitud del reactor [=] cm

Analizando la funcionalidad

µ( x, e, Pp, d, v, ρ, µv, l)

Dimensiones n = 9à número de parámetros M = 3à número de dimensiones (L, M, T)

Por tanto el número de grupos adimensionales (n – m) es:

(n – m ) = 9 – 3 = 6 grupos adimensionales

- Elección de unidades apropiadasParámetrosDimensiones

µ x e Pp d v ρ µv l

M 0 1 0 0 0 0 1 1 0

L 0 -3 1 1 1 1 -3 -1 1

T -1 0 0 0 0 -1 0 -1 0

Escribiendo cada uno de los parámetros como un número asociado con sus unidadesadecuadas.

83

à los parámetros que se eligen están en función de :

(Pp, d, v, ρ, µv, l) = f (µ, x, e)

Pp [=] L

1

1

p

p

P ePe

π

π

=

=

ρ [=] MT-3

d [=] L µv [=] ML-1T-1

v [=] LT-1 l [=] L6

6

l ele

π

π

=

=

Sí π1, π 2,......, π 6 representan los números adimensionales de las magnitudesSí m representa el número de dimensiones An = 6 se puede formar una

ecuación de la forma f (π1, π 2,......, π 6) = 0Para µà axà beàc

[ ]11

1

( )( ):1 0

cpP e L L

L c o cPpe

π

π

−= =

− = ⇒ =

=

NOTA: se hace lo mismo para cada uno de los parámetros restantes.

Inicio:fs (µ, x, e, Pp, d, v, ρ, µv, l)

Final:

2, , , , ,* * *

vPp d v lfe e e x x e e

µρµ µ

25

5 2

v

v

x e

x e

µ π µµ

πµ

=

=

4

4

x

x

ρ πρ

π

=

=

2

2

d ede

π

π

=

=

3

3

v eve

π µ

πµ

=

=

84

EXPLICACIÓN DE CADA PARÁMETRO

à [ ] _ __ _ _ _ _

pP tamaño de particulae espesor de la cama del reactor

=

e

El tamaño de la partícula depende del espesor de la cama del reactor, a medida quePp aumenta o disminuye implicará un aumento o disminución de e; entre mas pequeñosea Pp implicará que haya más adherencia en los microorganismos y obviamente elespesor de la cama ocupará más partículas

à [ ] _ _ ( )_ _ _ _ _

d diametro del reactor empaquee espesor de la cama del reactor

=

La dimensión del reactor, que en este caso es el diámetro depende de la cantidadde polietileno introducido al mismo, ya que a mayor espesor de empaque hay mayorárea de transferencia de masa; por tanto mayor cantidad de degradación de materiaorgánica

à*v

eµ[ ] _ _

( ._ )( _ _ )velocidad del fluido

veloc crecimiento espesor del reactor=

Cuando la velocidad de crecimiento de microorganismos es rápida es porquetiene una alta velocidad en el fluido (ya que esto ayuda a que haya una expansión en elpolietileno y la biomasa) y un espesor grande, es necesario porque así habrá mayorcontacto entre los microorganismos y el agua.

- al aumentar v, eà debe aumentar µ.- al disminuir v, eà pudiera ser que µ siga creciendo o disminuya.- No puede ser que v sea mayor y e menor o viceversa, porque esto provocaría que

los microorganismos se desprendieran del polietileno (al aumentar v y e) opudieran morirse (disminuye la velocidad y e es grande).

85

à [ ] densidaddelfluidox biomasaρ

=

La densidad de la partícula (biomasa + polietileno) depende de la cantidad demicroorganismos adheridos al polietileno, así como su reproducción y crecimiento.

à [ ]2 2

cos _ _( )( ._ )( _ _ )

v vis idad del fluidox e biomasa veloc crecimiento espesor del empaqueµµ

=

La velocidad de degradación de materia orgánica está relacionada con lacantidad de biomasa adherida en la superficie del polietileno, contribuyendo a lacantidad de cama introducida en el reactor, así como la viscosidad que presenta el fluido(agua residual) para su transporte a través de la cama, ya sea para facilitar o dificultar latransferencia de masa.

à [ ] _ __ _ _ _ _

l longitud del reactore espesor de la cama del reactor

=

La longitud del reactor depende de la longitud de la cama agregado alreactor, ya que al aumentar el tamaño de ésta el reactor se ve modificado en susdimensiones para no provocar derrames del líquido.

86

19.4. APÉNDICE D.

DISEÑO DE LA BOMBA CENTRIFUGA Y DEL REACTORANAEROBIO DE LECHO SUSPENDIDO INVERSO

BOMBA CENTRIFUGA

Se fundamenta en la acción de una rueda de paletas que se hace girarrápidamente por medio de un motor, con lo que el líquido que se encuentra dentro de lacarcasa es comprimido por las paletas y presionado hacia el tubo de salida (ver figura1D). Esta expulsión del líquido engendra una succión en el centro de la rueda, por loque se hace llegar allí la conducción de succión. Antes de ponerlas en marcha, lasbombas centrifugas deben estar llenas con líquido. Las ventajas que presentan las bombas centrífugas, menor requerimiento deespacio, movimiento giratorio (lo que permite un acoplamiento directo con el motor),transporte regular de las sustancias, costos de instalación y de mantenimiento mínimos.

Figura 1D. Representación de la bomba centrifuga.

La succión del agua residual que se encuentra en el canal, requiere de una bombacentrifuga que permita llevarla hasta el tinaco de almacén y hacer uso de la misma; porlo que se ha recurrido a realizar un balance de energía (Ec. de Bernoulli) para conocer lapotencia necesaria de la bomba; siguiendo el siguiente diagrama.

Entrada delfluido

Salida delfluido

87

Figura No. 2D. Diagrama donde se aplicara el Balance de Energía Mecánica.

Analizando los datos existentes

- Es un líquido (agua) a T = 20 °Cρ = 997.4 Kg/ m3

µ = 9.8 x 10-4 Kg/ m.s

Q = 250 L/h = 6.94 x 10 -5 m3/s

- Tubería de PVC∈ = 0 (tubo liso)→ rugosidad de la tuberíad1 = ¾ in = 0.019 m

- Codos90°" 2 existentes

Analizando el Balance de Energía Mecánica entre el punto (1) y (2)

Hpg

kudg

Lufg

ugPZ F =++

∆+

∆+∆

ααρ 22

2

222

(D1)

BOMBA(1)

(2)2.0 m

3.30 m

5 m

1.5 m0.5 m

90°

90°Z2 = 3.80 m

Z1 = 0

TINACOCONTENIDO

Suponiendo eltinaco destapado

88

Observando cada término

Ø 0=∆

gP

ρ considerando que tanto P2 y P1 están a 1 atmósfera, por lo tanto el

término e igual a cero, y se desprecia.

Ø 02

2

=∆

guα

como la velocidad del flujo no cambia por todo el sistema, también

este término se desprecia.

Ø ∆Z = Z2 – Z1 (D2)

como:

Z1 = 0 tomada de la superficie del canalZ2 = 3.80 m considerando una altura total

Por lo tanto

∆Z = 3.80 m

Ødg

Luf F22

analizando cada término Ff

µρdu

=Re (D3)

2

4dQ

AQu

π== (D4)

sustituyendo

2

35

)019.0()/1094.6(4

msmxu

π

−

= = 0.245 m/s

por lo tanto Re

65.737,4/105.9

)/4.997)(/245.0)(019.0(Re 4

3

==− msKgx

mKgsmm → Flujo turbulento

Re>4000

89

por la gráfica (Based on Moody)

0095.0=Ff

esto implica que el término

msmm

msmdg

Luf F 0428.0)/81.9)(019.0(

)7()/245.0)(0095.0(222

22

==

para

gkuα2

2

(accesorios)

1=α para flujo turbulento

k para codos de 90° ≈ 0.9

por lo tanto

mxsmsm

gku 3

22

1050.5)/81.9)(1(2

)/245.0)(9.0(22

−==α

Por lo tanto, sustituyendo datos en el Balance de Energía Mecánica, en la ec. (D1)(3.80 m) + (0.0428 m) + (5.50 x 10-3m) = 3.8483 m

Hp = 3.85 m (carga o cabeza de la bomba)

Analizando la potencia del fluido (φfl); es decir la potencia que le brinda al fluido;

f lm gHpφ°

= (D5)

donde:

m = flujo másica

g = fza. De gravedad Hp = carga o cabeza

Esto implica

90

ρQm =°

(D6)

skgmkgsmxm /069.0)/4.997)(/1094.6( 335 == −°

por lo tanto

22

3(0.069 / )(9.81 / )(3.85 ) 2.61flkgmkg s m s m watt

sφ = = =

Ahora la potencia de accionamiento (φA); la potencia que debe de tener la bomba;

f lA

φφ

η= (D7)

donde:

φfl = potencia del fluido

η = eficienciase establece una eficiencia del 70 %

φA = wattwatt 73.3%70

61.2=

→ hpxA3105 −=φ

Se requiere una bomba de ¼ a ¾ de caballo.

91

DISEÑO DEL REACTOR

La operación de un reactor de tanque agitado enzimático homogéneo, se puederepresentar esquemáticamente de acuerdo a la siguiente figura; en la que una corrientede materia orgánica (flujo volumétrico) Q1 y concentración CA se mezcla perfectamentey se obtienen como productos de la degradación de materia orgánica, biomasa y metano.

JUSTIFICACIÓN

En cada punto del reactor (sistema) la concentración de materia orgánica es cte.;debido a la formación de celdas convectivas por la velocidad del flujo en laalimentación; originando que todas las partículas se mezclen en todo el reactor.

MODELO

A

AA

rSS

QV

−−

== 0

0

τ (D8)

pero

AA xr µ=− (D9)

Ax = concentración de biomasa y puede expresarse como

AA ySx = (D10)

y = coeficiente de conversión del sustrato en masa celular

L

QA = 250 L/h

92

por lo tanto

+=

A

AA

ySSS

QV

µ0

0

(D11)

El valor de y se obtiene despejando de la ec. 3 o graficando xA vs SA, donde lapendiente es y; por lo tanto la ec. (D11) pasa a ser:

−=

A

AA

xSS

QV

µ0

0

MODELO PARA EL REACTOR

donde:

V = volumen del reactor [=] LQ0= flujo volumétrico [=] L/h

SA0, SA = concentración del sustrato (materia orgánica, DQO) en la entrada y en la salidadel reactor, respectivamente [=] mg/L

Siendo el volumen del reactor:

V = πr2L (D12)

Por lo tanto el modelo para el reactor se convierte:

−=

A

AA

xSS

QLr

µπ 0

0

2

(D13)

Casos a considerar y realizar un programa de simulación:

o CASO I

Si se modifica la longitud del reactor (L) (Debido al aumento o disminución de la cama del polietileno).

93

o CASO II

Si se modifica el flujo de alimentación al reactor (Q0)

o CASO III

Si se modifica tanto el flujo (Q0) como la Longitud (L)

Considerando los distintos casos, se llega a la siguiente expresión

LQ

rSSx AA

A0

20

−=

πµ (D14)

si le llamamos a Ω = µxA

LQ

rSS AA 0

20

−=Ω

π (D15)

donde:

Ω = tasa de degradación de materia orgánica debido al crecimiento de biomasa, enfunción de la longitud del empaque y el flujo alimentado al reactor, con las siguientesunidades:

Ω [=] 3hmmg

94

PARA EL DISEÑO DEL REACTOR NOS BASAMOS EN EL SIGUIENTEMODELO

W = ((s0-sf)/(pi * r ^2))*(Q0/L)

donde:

r = radio del reactor(s0 - sf) = diferencia de medidas de DQO, en la alimentación y en la salida del reactorrespectivamenteQ0 = flujo volumétrico del agua residualL = longitud del reactor (polietileno (empaque) + lo que se expande)con las siguientes unidades

W [=] mg/ h m3

Q0

L

95

EL PROGRAMA DE DIVIDE EN VARIOS CASOS:

A) CUANDO SE FIJA EL VALOR DE Q0 Y VARIAMOS LA LONGITUD (L)

>restart:whith(student):with(linalg):with(plots):Digits:=6:Warning, the protected names norm and trace have been redefined andunprotected

Warning, the name changecoords has been redefined

USUARIO DAME LOS VALORES CONSTANTES DEL REACTOR (SISTEMA)

> r:=0.21;> pi:=3.1416;

:=r 0.21

:=π 3.1416

> Q0:=250; :=Q0 250

DAME LOS VALORES DE S0 Y Sf QUE SON MEDIBLES, DONDE S0 ES ELVALOR DEL DQO EN LA ALIMENTACION Y Sf ES EL VALOR DE DQO ALCUAL SE QUIERE LLEGAR A LA SALIDA DEL REACTOR

> s0:=1.4;> sf:=0.2;

:=s0 1.4

:=sf 0.2

> W:=L->(((s0-sf)/(pi*r^2))*(Q0/L));

:=W →L ( ) −s0 sf Q0π r2 L

DA EL VALOR DE LA LONGITUD DEL REACTOR A LA CUAL QUIERESEMPEZAR A TRABAJAR

Ø evalf(W(0.50));

4330.74

96

DA LOS INTERVALOS DE L A LOS CUALES QUIERES VER ELCOMPORTAMIENTO DE LA W EN EL REACTOR

> plot(W(L),L=0..1);>

B) CUANDO SE FIJA EL VALOR DE L Y VARIAMOS EL FLUJOVOLUMETRICO (Q0)

> restart:

USUARIO DAME LOS VALORES CONSTANTES DEL SISTEMA

> r:=0.21;> L:=0.50;> pi:=3.1416;

:=r 0.21

:=L 0.50

:=π 3.1416

97

DAME LOS VALORES DE S0 Y Sf QUE SON MEDIBLES, DONDE S0 ES ELVALOR DEL DQO EN LA ALIMENTACION Y Sf ES EL VALOR DE DQO ALCUAL SE QUIERE LLEGAR A LA SALIDA DEL REACTOR

> s0:=1.4;> sf:=0.2;

:=s0 1.4

:=sf 0.2

> W:=Q0->(((s0-sf)/(pi*r^2))*(Q0/L));

:=W →Q0 ( ) −s0 sf Q0π r2 L

DA EL VALOR DEL FLUJO VOLUMETRICO (Q0) DE LA ALIMENTACION DELREACTOR A LA CUAL QUIERES EMPEZAR A TRABAJAR

> evalf(W(250));4330.736624

DA LOS INTERVALOS DEL FLUJO VOLUMETRICO (Q0) AL CUAL QUIERESEMPEZAR A TRABAJAR

Ø plot(W(Q0),Q0=250..1000);

98

C) CUANDO SE VARIA EL VALOR DE LA LONGITUD (L) Y TAMBIEN ELVALOR DEL FLUJO VOLUMETRICO (Q0)

> restart:

USUARIO DAME LOS VALORES FIJOS DEL SISTEMA (REACTOR)

> r:=0.21;> pi:=3.1416;

:=r 0.21

:=π 3.1416

DAME LOS VALORES DE DQO EN LA ALIMENTACION Y SALIDA DELREACTOR, S0, Sf RESPECTIVAMENTE

> s0:=1.4;> sf:=0.2;

:=s0 1.4

:=sf 0.2

> W:=(L,Q0)->(((s0-sf)/(pi*r^2))*(Q0/L));

:=W →( ),L Q0 ( ) −s0 sf Q0π r2 L

DAME LOS VALORES DE (Q0) Y (L) A LOS CUALES SE PIENZAN TRABAJAREN EL REACTOR

> evalf(W(0.5,250));4330.736624

DAME LOS INTERVALOS DE LA LONGITUD (L) Y EL FLUJO VOLUMETRICO(Q0) A LOS CUALES SE QUEIREN VARIAR EL COMPORTAMINETO DELREACTOR

> plot3d(W(L,Q0),L=0.1..1,Q0=50..1000);

100

19.5 APÉNDICE E.

ANÁLISIS DE FUERZAS SOBRE LA PARTÍCULA (POLIETILENO +BIOMASA)

Analizando una partícula de polietileno con un espesor de biomasa, donde elflujo la cubre de manera vertical.

Las fuerzas involucradas entre la partícula fluido (agua + materia orgánica)son: la fuerza normal y la fuerza tangencial.

- FUERZA NORMAL

En cada punto de la superficie esférica existe una presión sobre el sólido que actúaperpendicularmente a la superficie. El fluido ejerce una presión sobre la partícula en ladirección z, esta presión es – p cosθ. Esta presión local se multiplica por el área de lasuperficie sobre la que actúa, R2 senθ dθdφ, y se integra sobre la superficie esférica paraobtener la fuerza resultante en la dirección z:

φθθθπ π

ddSenRCosPF Rrn ∫ ∫ =−=2

0 0

2)( (1E)

FLUJO(Q0)

PARTÍCULADEPOLIETILENO

Fn

Ftz

y

x

101

donde:

θµ

θρ CosRvgRCosPP Rr

∞= −−=

23

0 (2E)

por lo tanto resolviendo la integral (1E)

∞+= RvgRFn πµρπ 234 3 (3E)

- FUERZA TANGENCIAL

En cada punto de la superficie existe también un esfuerzo cortante que actúatangencial. Este esfuerzo, - τrθ es la fuerza que actúa en la dirección θ sobre la unidad deárea sobre de la superficie esférica. El componente z de esta fuerza, por unidad de área,es (-τrθ) (-Senθ). Multiplicando por R2 Senθ dθ dφ e integrando sobre la superficie de laesfera, se obtiene la fuerza resultante en la dirección z:

φθθθτπ π

θθ ddSenRSenF rrt2

2

0 0

)(∫ ∫ =+= (4E)

La distribución del esfuerzo cortante en la superficie de la esfera es:

θµ

τ θ SenRv

Rrr∞

== 23 (5E)

Substituyendo esta expresión en la integral en la ec. (4E) y resolviendo la integral

∞= RvFt πµ4 (6E)

Por lo tanto la fuerza total (F) del fluido sobre la partícula, viene dada por lasuma de las dos fuerzas, la fuerza normal y la tangencial.

102

tn FFF += (7E)

sustituyendo las ec. (3E) y (6E) en (7E)

∞+= RvgRF πµρπ 634 3 (8E)

Analizando los datos experimentales:

π = 3.1416

ρ = 997.4 Kg/m3

µ = 9.8 x 10-4 Kg/msg = 9.81 m/s2

D = 3.3 x 10-3 m → R = 1.65 x 10-3 m

v = 0.245 m/s → Q0 = 250 L/h

Sustituyendo los datos en la ec. (8E), obtenemos la fuerza total ejercida por el fluido enla partícula (polietileno + biopelícula).

( )

Ns

KgmxF

xxxF

==

+

=

−

−−−

204

034303

1090.1

)245.0)(1035.1)(108.9(6)81.9)(4.997()1065.1(34

ππ

La fuerza necesaria para mover la partícula en el seno del líquido, se produzcala transferencia de masa en la biopelícula, que el lecho (cama) se expanda y se origineuna agitación en el reactor es de:

Ns

KgmxF == −2

041090.1

103

19.6. APÉNDICE F ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE MASA

El balance de transferencia de masa, se divide en dos etapas:

Ø Transferencia de masa externa, del seno del líquido a la superficie de lapartícula (biomasa).

Ø Transferencia de masa interna, va de la superficie de la partícula al seno dela misma.

v Balance de masa para la transferencia de materia orgánica del seno del líquido ala superficie de la biopelícula.

Analizando la parte del seno del líquido, se encuentra que solo hay transferenciade masa externa; por lo que la expresión que caracteriza dicho fenómeno es la siguiente:

( )SbmA SSkN −= (1F)

donde: NA = flux molar total de la materia orgánica (sustrato) km = coeficiente de transferencia de masa Sb = sustrato en el seno del fluido SS = sustrato en la superficie de la partícula (biomasa)

Como se desea analizar la cantidad de materia orgánica que se transfiere delseno del líquido a la superficie de la partícula (biomasa), se recurre al análisis del flujomolar o másico, que se representa de la siguiente manera:

xANW AA = (2F)

Sb

Ss

Transferencia demasa porconvección

Difusión másreacción

rR1

R2

104

donde:WA = flujo molarNA = flux molar total de la materia orgánica (sustrato)A = área de transferencia de masa

Analizando cada dato experimental para cada reactor (REACTOR 1 (SEMANA 1)):

km = 1.84 x 10-4 m/sSb = 1.6 g/m3

SS = 0.00726 g/m3

NOTA: Es un cilindro, el cual lo hacemos equivalente a una esfera de radio R.

A = 4πr2 = 4 (3.1416)(1.65 x 10-3m)2 = 3.42 x 10 -5 m2

Sustituyendo en la ec. (1F)

( ) smgxmgsmxN A2434 /1093.2g/m30.00726/6.1)/1084.1( −− =−=

por lo que, al relacionarlo con la ec. (2F)

( )sgXmx

smgxWA

7242

4 100023.11042.3109.2 −−− =

=

Por lo tanto

sgXWA

7100023.1 −=

Sustituyendo para cada reactor y en distintas corridas, tenemos los siguientesdatos, reportados en la siguiente Tabla.

105

Tabla 11. Valores de WA para cada Reactor

REACTOR Sb Ss NA WA(g/m3) (g/m3) (g/m3s) (g/s)




Balance de masa para la difusión más reacción desde la superficie interna hasta al senode la biopelícula

- El sistema se encuentra en estado estacionario

- La transferencia de masa se da por difusión y aparte existe reacción dentro de labiopelícula por tanto

Se toma una parte diferencial

106

0)*4()4()4( 222 =∆−− ∆+ prrsrs rrrIJrIJr πππ à 3F

Dividiendo entre r∆π4 y calculando la definición de la derivada cuando ellimà0 entonces se tiene lo siguiente:

0*)( 22

=−− ps rr

drJrd

àModelo matemático

Donde:rp = velocidad de reacción que se lleva a cabo entre la materia orgánica

(sustrato) y los microorganismos de primer orden irreversible = Sµ [=] mg/t*l

JA = flux difusivo =drdSDef−

Por tanto la Ec. 3F se convierte

0*)( 22

=− Srdr

Srdµ à Ec.4

Resolviendo la Ec. 4 con un cambio de variable donde: ⇒=

rrf

SS

s

)(

2

221dr

fddr

drdrd

r=

02

2

=− fDdr

fd

ef

µ

utilizando el polinomio característico esto implica:

erer

ef

Dm

Dm

Dm

µµ

µ

−==

⇒=−

11

2

;

0

107

−+

= r

Dr

Df

erer

µγ

µγ expexp 21

en función de senh y cos h se tiene

−+

= r

Dr

Df

erer

µγ

µγ expexp 21 à Ec..4

Las siguientes condiciones de frontera son:

r = r1 à 0=

drdS el sustrato llega a una zona muera en r1

r = r2 à S = Ss Concentración del sustrato en la superficie interna de la biopelícula

Resolviendo las constantes 21 γγ y de la ec.4 con las condiciones de frontera se tiene laEc. 5

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

s

DD

DD

DD

DD

s

S

rsenhrr

rrsenh

r

rsenhrr

rrsenh

r

SS

ef

ef

efef

ef

ef

efef

+

−

+

−

=µ

µ

µµ

µµ

µµ

1cosh

cosh*1

1cosh

cosh*1

1

21

1à Ec. 5

La Ec.5 muestra el perfil de concentraciones en función del radio y el flux difusivo es:

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

s

DD

DD

DD

DD

s S

rsenhrr

rrsenh

r

rsenhrr

rrsenh

r

drdJ

ef

ef

efef

ef

ef

efef

+

−

+

−

=µ

µ

µµ

µµ

µµ

1cosh

cosh*1

1cosh

cosh*1

1

21

1àEc.6

108

19.7. APÉNDICE G

TIEMPO DE RESIDENCIA

- Para un reactor continuo de tanque agitado- Primer orden- Irreversible

VS VF Q

τ = =

V = volumen del reactor = 450 lQ = flujo volumétrico de alimentación = 250 l/h

450250

τ = = 1h, 48 minà para un solo reactor

En los tres bioreactores en serie

τ = 5h, 24min

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

IZTAPALAPA

CASA ABIERTA AL TIEMPO

PROYECTO“ CIBAC, PLANTA PILOTO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES DEL CANAL DE CUEMANCO “

INTEGRANTES:LEMUS CONTRERAS ANA MARIAMARTÍNEZ PONCE ARACELISANTAMARÍA GONZÁLEZ MA. GUADALUPE

ASESOR:ING. URIEL ARECHIGA VIRAMONTES

CONTENIDO DE LA PRESENTACION

OBJETIVOSINTRODUCCION

ASPECTOS GENERALESNORMAS

PROCESO AEROBIO Y ANAEROBIOANALISIS COMPARATIVO

MODELOS MATEMATICOS INVOLUCRADOS EN EL PROCESOCINETICACONTROL DEL PROCESOANALISIS DIMENSIONALTRANSFERENCIA DE MASAFUERZAS INVOLUCRADAS EN LA PARTÍCULA

DISEÑO DEL PROCESOUBICACIÓN DIAGRAMACOSTO

RESULTADOSCONCLUSIONAPLICACIONESRECOMENDACIONES A FUTURAS GENERACIONESAGRADECIMIENTOS

OBJETIVOS

- Determinar entre el fenómeno de transferencia de masa y reacción, quien controla el proceso de degradación de materia orgánica.

- Obtener el modelo matemático en función de los parámetros experimentales que caracterizan al sistema.

- Rediseño del proceso de la planta piloto ya existente, para mejorar el tratamiento de aguas residuales del canal de Cuemanco, en la zona Lacustre de Xochimilco.

INTRODUCCION

-SECTOR SOCIAL (MUNICIPAL).-SECTOR INDUSTRIAL.-SECTOR AGROPECUARIO.

ASPECTOS GENERALES

NORMAS•NOM-001-ECOL-1996. •NOM-002-ECOL-1996. •NOM-003-ECOL-1997.

CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL AGUA RESIDUAL

•ASPECTO

•COMPOSICION - SOLIDOS TOTALES

-pH-QDO, DBO5

-TEMPERATURA-METALES PESADOS

•PARAMETROS -NITRITOS-TURBIDEZ-DUREZA

Parámetros que definen la calidad del agua residual para la NOM-003-ECOL-1996

PARÁMETRO mg/L

pH conductividad eléctrica

sólidos totales sólidos totales fijos

sólidos totales volátiles sólidos suspendidos totales sólidos suspendidos fijos

sólidos suspendidos volátiles sólidos disueltos totales sólidos disueltos fijos

sólidos disueltos volátiles sólidos sediméntales

demanda bioquímica de oxigeno (DBO) demanda química de oxigeno (DQO)

nitrógeno amoniacal (N-NH3) nitrógeno orgánico (N-org.)

nitrógeno total (N-total) nitrógeno de nitritos (NO2) nitrógeno de nitratos (NO3)

ortofosfatos fosfatos totales

grasas y aceites totales grasas y aceites minerales

SAAH (detergentes) Boro

Sulfatos Cloruros

Cromo hexavalente Sulfuros Níquel Fenoles

Zinc Cadmio Cianuros Plomo

7.3 1503.0 umhos/cm

1106.00 627 479 20 76

125 905 551 35 3.1

279.4 612 15.1 7.3 22.4 0.11 0.9 4.5 8.4

109.8 52.4 10.4 1.1

127.3 147.5

0 0.3 0.6 0.4 0.3

0.008 0.004 0.24

Ventajas y desventajas de los métodos biológicos

TRATAMIENTO η (%) VENTAJAS DESVENTAJAS

Aerobio

70

• Proceso rápido • Alta calidad del

efluente (DBO5, DQO), apto para descargas de aguas residuales

• Necesita sistema de aireación (gasto energético)

• Más residuos de lodos

Anaerobio

60

• Menor gasto de energía

• Aprovechamiento de gas

• Pocos residuos de lodos

• Procesos eficientes para residuos líquidos de con. Altas (>1000- 2000 mg DBO5/L)

• Proceso lento • Muy complejo y

sensible • Reactores

voluminosos • Costos altos de

construcción

Anaerobio/aerobio

78

• Más rápido y más estable que el proceso anaerobio simple

• Aprovechamiento de gas

• Alta calidad del efluente

• Necesita sistema de aireación

Fuente: Böhnke et al 1993 en CONAMA

CINÉTICA DEL PROCESO

Bacterias + C5H7NO2 → Biomasa + CO2 + CH4 + H2 + H2O

MICROBIOLOGIA DEL PROCESO

CONDUCTOS

BACTERIAS

FLUJO DE AGUA

POLIETILENO + PELICULA BACTERIANA

BIOPELICULA

POLIETILENO (SOPORTE)

•CARACTERISTICAS DE LA BIOPELICULAESPESOR DE BIOPELICULATRANSFERENCIA DE MASADENSIDAD DE BIOPELICULA SECACOMPOSICIÓN QUÍMICA

•FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DE LA BIOPELÍCULA

REACTOR ANAEROBIO DE LECHO SUSPENDIDO INVERSO

Condiciones de operación del reactor: Temperatura: 10 °C – 35 °CPresión: 580 mmHgpH: 6.5 – 7.3 Flujo: 250 lt / hrLongitud de cama: 20 cmLongitud de expansión: 30 cm

CAo

CA1

CB1

CA2

CB2

CA3

CB 3

RESULTADOS

REACTOR 1 REACTOR 2

REACTOR 3

NsKgmxF == −

2041090.1

FUERZA EJERCIDA EN CADA PARTICULA

FOTOGRAFÍAS DEL POLIETILENO

REACTOR 1

REACTOR 2

REACTOR 3

CINETICA DEL PROCESO

CINETICA DE 1er ORDEN E IRREVERSIBLE

EC. DE MONOD

EC. LINEALIZADA

p

dxr xdt

µ= =

maxs

SS k

µ µ

= +

max max

1 1 1*skSµ µ µ

= +

ln( )x t cteµ= +

GRAFICA DE LA CINETICA

ln(x) = 0.004 t + 3.4863µ = 0.004

R2 = 0.9323

ln(x)= 0.0039 t + 3.3737µ = 0.0039R2 = 0.9948

ln(x)= 0.0063 t + 2.7521µ = 0.0063R2 = 0.9866

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280t(h-1)

REACTOR 1

REACTOR 2

REACTOR 1

REACTOR 3

GRAFICA DE M ONOD

1/µ = 112.83(1/S) + 67.48ks /µmáx = 112.831/ µmáx = 67.48R2 = 0.9916

y = 96.761x + 65.636ks /µmáx = 96.761/ µmáx = 65.636

R2 = 0.9967

y = 38.519x + 84.776ks /µmáx = 38.5191/ µmáx = 84.776

R2 = 0.9851

100

150

200

250

300

350

400

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41/ S (mg/ l)

µ

REACTOR 1

REACTOR 2

REACTOR 3

S(mg/l) x(mg/l) µ (h-1) µmáx (h-1) ks (mg/l)REACTOR 1 1.6 52.22 0.00102

0.667 62.82 0.0039 7.14*10-3 0.1330.35 45.93 0.0051

REACTOR 2 1.4 48.85 0.00770.55 72.14 0.004 1.52*10-2 1.470.3 46.44 0.0026

REACTOR 3 1.32 42.7 0.00920.583 55.13 0.0063 1.18*10-3 0.4540.275 39.2 0.0045

RESULTADOS PARA LA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO

PASO CONTROLANTE EN LA DEGRADACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA

7

7

3.80*10

3.80*10S b

b

S SS

µ

−

−=

+

La diferencia de Sb y Ss está en el rango de 99.43% a 99.95% esto implica que están muy alejados para ser Sb = Ss ,por tanto la reacción no controla y podemos decir que Cs 0, esto implica que la difusión externa controla

El valor del factor de efectividad para nuestro sistema es: η -->1.0

REACTOR # 1 Sb(mg/l) Ss(mg/l) ((Sb-Ss)/Sb)*100%PRIMER SEMANA 1.6 0.00726 99.55

SEGUNDA SEMANA 0.667 0.00152 99.77TERCER SEMANA 0.35 0.00021 99.94

REACTOR # 2PRIMER SEMANA 1.4 0.00457 99.43


REACTOR # 2PRIMER SEMANA 1.32 0.00802 99.65


MODELO DE TRANSFERENCIA DE MASA

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )( )

s

DD

DD

DD

DD

s S

rsenhrr

rrsenhr

rsenhrr

rrsenhr

drdJ

ef

ef

efef

ef

ef

efef

+

−

+

−

=µ

µ

µµ

µµ

µµ

1cosh

cosh*1

1cosh

cosh*1

1

21

1

Valores de W para cada reactor en distintas corridas

Sb (g/m3) Ssb (g/m3)

NA (g/m2s)

WA (g/s)

REACTOR 1 0.667 0.00152 1.2*10-4 4.18*10-8 REACTOR 2 0.55 0.00073 1.01*10-4 8.7*10-8 REACTOR 3 0.583 0.00072 1.07*10-4 3.6*10-8

Condiciones de frontera

r = r1 0=

drdS el sustrato llega a una zona muera en r1

r = r2 S = Ss Concentración del sustrato en la superficie interna de la biopelícula

MODELO MATEMÁTICO DEL REACTOR ANAEROBIO DE LECHO SUSPENDIDO INVERSO

LQ

rSS AA 0

20

−

=Ωπ

Ω = tasa de degradación de materia orgánica debido al crecimiento de biomasa,en función de la longitud del empaque y del flujo alimentado al reactor, con las

siguientes unidades [=] 3hmmg

Q0 = 350 L/h (en la alimentación)

L = 0.60 m (cama de polietileno +lo que se expande el lecho)CONDICIONES OPTIMAS

MODELO DIMENSIONAL

variables que afectan la degradación de la materia orgánica en el sistema de reactores anaerobios de lecho suspendido inverso

fs(µ, x, e, Pp, d, v, ρ, µv, l)

2, , , , ,* * *

vP p d v lfe e e x x e e

µρµ µ

e

• Se tiene un tiempo de residencia para un reactor:

1h, 48min

• En los tres birreactores en serie es de :

5h, 24min

TIEMPO DE RESIDENCIA

ANÁLISIS ECONÓMICO

Uno de los aspectos más importantes para el tratamiento de aguas residuales es considerar los aspectos económicos; tales como:

- inversión de Material y Equipo = $292,300.00 MN

- Total de Construcción = $ 9,600.00 M.N.

- Costo de manufactura = $ 3,870.00 M.N.

COSTO TOTAL DE INVERSIÓN = $ 305, 800 .00 M.N.

- Costo de mantenimiento = $ 2,150.00 M.N. Semestral

- Costo laboral del personal = $ 29, 250.00 M.N. Semestral

- Costo del agua PE = $ 650.00 M.N. Semestrales

REACTOR 1

CONTENEDOR 1

CONTENEDOR 1

AIRE

REACTOR AEROBIO

LECHO VEGETAL

TANQUE DE ALMACENTANQUE DE ALMACEN

REACTOR 1

REACTOR 1

OZONIZACIÓNOZONIZACIÓNOZONIZACIÓN

TANQUE 2

DIAGRAMA DE FLUJO

DISEÑO DE LA PLANTA Y LOCALIZACIÓN

Antiguo canal de Cuemanco

CIBAC

PistaOlímpicaVirgilioUribe

PeriféricoSur

MEDIDAS DE SEGURIDAD E HIGIENE

Es importante contar con las siguientes medidas de seguridad e higiene dentro de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales, tales como:

Localización de zonas de seguridad Código de colores de la Planta Capacitación a los trabajadores de la Planta Equipo adecuado para los trabajadores de la Planta (guantes, uniforme o

bien ropa adecuada, etc.) Área de extinguidores (caso de incendio) Manual general de operación de la Planta (accidentes) Guía de localización al personal Botiquín de primeros auxilios y teléfonos de emergencia Evitar recipientes de almacenamiento oxidados Localizar la clínica más cercana

CONCLUSIONES

* CINETICA DE PRIMER ORDEN IRREVERSIBLE

ks > S

* LOS FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA INTERNAS Y EXTERNAS SON QUIENES CONTROLAN EL PROCESO

* LA TRANFERENCIA DE MATERIA ORGANICA DEL SENO DEL LIQUIDO A LA BIOPELICULA (SUPERFICIE EXTERNA) Y LA VELOCIDAD DE DEGRADACION DE LA MISMA, SE DA EN MAYOR PROPORCION EN LOS REACTORES UNO Y DOS.

* EL DISEÑO DE LA PLANTA PILOTO PUEDE RESDUCIRSE A SOLO DOS REACTORES DISMINUYENDO ESPACIO Y TIEMPO DE RESIDENCIA ( 5 h , 24 min.).

*FLUJO MAXIMO Q0 = 350 L/h CON UNA LONGITUD L= 0.60 m

*CON UNA INVERSION DE $310, 000. 00 M.N.; MENOR COMPARADA CON OTROS TRATAMIENTOS EXISTENTES

* EL POTENCIAL ECONOMICO (PE = $ 650.00 M.N. Semestrales)

RECOMENDACIONES A FUTURAS GENERACIONES

♦ Establecer la hidrodinámica del sistema, involucrando:

El modelo matemático que caracterice el movimiento de las partículas en el seno del líquido.

Manejar distintos flujos volumétricos en la alimentación del sistema, para observar el crecimiento de la biomasa y con ello la cantidad de materia orgánica degradada.

Manejar distintas longitudes del empaque (cama de polietileno) para corroborar el modelo propuesto.

♦ Experimentar y caracterizar el modelo matemático para el reactor aerobio.

♦ Eliminación del tercer reactor anaerobio.

♦ Elevación del tanque de almacenamiento.

♦ Aplicar otros soportes (como piedra pómez molida).

♦ Considerar la recirculación en el sistema.

♦ Cambio de instalaciones (tuberías de tubo galvanizado).

AGRADECIMIENTOS

§ ING. URIEL ARECHIGA VIRAMONTES§ M.C. PATRICIA MARTÍNEZ§ DR. OSCAR MONROY§ DR. HILARIO GARCÍA§ DR. ALBERTO SORIA§ DR. JAIME VERNON§ DR. CARLOS CABALLERO§ DR. JUAN OLVERA§ ING. GLORIA MARTINEZ§ DR. RICARDO LOBO§ DR. ALBERTO OCHOA§ A NUESTROS PADRES POR SU APOYO

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