DISEO DE SISTEMAS DE BIOPELCULA, PARA TRATAMIENTO AGUAS RESIDUALES.

M. I. David Gmez Salas

CONTENIDO

Generalidades Premisas para deduccin de una ecuacin general de diseo, para procesos de biopelcula. Ecuacin de diseo Requerimientos de rea para diferentes procesos de biopelicula Biofiltro Biodiscos Biofiltro aereado sumergido, bas. Pelcula fija sumergida, pfs. Aplicacin de la ecuacin general de diseo en los sistemas de biofiltro, biodiscos y bas. Referencias

AGRADECIMIENTOS Doctor Pedro Martnez Pereda Ing. Miguel ngel de la Pea Ing. Mnica Lpez Santos Delegacin Xochimilco, DDF Nacional de Tecnologas

GENERALIDADES

Los procesos biolgicos para tratamiento de aguas residuales denominados de Biopelcula, utilizan un medio plstico para el desarrollo de microorganismos. En este tipo de procesos el medio plstico entra en contacto con el agua residual y crecen microorganismos adheridos a la superficie, formando una capa de microorganismos que constituye una pelcula biolgica. Estos microorganismos se alimentan de la materia orgnica disuelta en el agua residual.

Los sistemas aerobios de Biopelcula ms conocidos son: Biofiltros, Biodiscos, Biofiltros Aereados Sumergidos (BAS) y Pelcula Fija Sumergida (PFS). Existen ms sistemas.

El sistema de Biofiltro, es una torre empacada con medio plstico situado sobre un dren elevado, por lo que todo el medio plstico se encuentra totalmente ventilado. El agua residual se descarga sobre el Biofiltro, por medio de aspersores que rocan la superficie superior del lecho empacado. Todas las gotas escurren por gravedad sobre el medio plstico y caen libremente despus por el dren mencionado.

El sistema de Biodiscos, est integrado por un conjunto de discos de plstico que se sostienen por medio de una flecha de acero que va en el centro de dichos discos. La parte inferior de los discos est sumergida en un tanque por el que fluye agua residual y la parte superior se encuentra en contacto con el aire de la atmsfera. Al girar los discos se logra que todas las partes de los discos estn continuamente en contacto con el agua y con el aire. Los microorganismos que crecen adheridos a la superficie de los discos tienen oportunidad de alimentarse con la materia orgnica disuelta en el agua residual (cuando estn abajo) y de tomar el oxgeno del aire para respirar (cuando estn arriba).

El sistema de Biofiltro Aereado Sumergido ( BAS), como su nombre lo indica es un Biofiltro que se encuentra sumergido en un tanque por el que fluye agua residual, por lo que todo el medio plstico se encuentra totalmente dentro del agua y se inyecta aire al tanque para que se desarrolle el proceso aerobio. El aire que se suministra por el fondo del tanque, abajo del medio plstico, asciende entre las separaciones del medio plstico y entra en contacto con los microorganismos que forman la pelcula biolgica. El aire proporciona el oxgeno requerido para la respiracin endgena de los microorganismos y para la oxidacin de la materia orgnica que toman como alimento.

El sistema de Pelcula Fija Sumergida (PFS), es similar al BAS; la diferencia fundamental es que existe mayor contacto de la superficie plstica con el agua residual y el aire inyectado. El medio plstico se encuentra totalmente sumergido en un tanque por el que fluye agua residual y est sometido a una aereacin intensa, que evita existan superficies ociosas, es decir no existen zonas con bajas tasas de crecimiento de Biopelcula. Las burbujas de aire difundido provocan un movimiento de conveccin forzada, que favorece el nmero de choques entre el sustrato(alimento), la pelcula biolgica (microorganismos) y el oxgeno contenido en el aire. En otras palabras, el mezclado y suministro de oxgeno son ms intensos a los que existe en el sistema BAS.

En todos los procesos de Biopelcula, los microorganismos producidos por la oxidacin de la materia orgnica se van adhiriendo inicialmente a las paredes del medio plstico y posteriormente se forman varias capas biolgicas sobrepuestas. Esto ocasiona que los microorganismos de la ltima capa (la exterior) tengan mayor contacto con el alimento y con el oxgeno del aire; en cambio, la capa adherida a la superficie plstica (la interior) cada vez tiene menos contacto con el sustrato y el oxgeno, por lo que en esta zona se dificulta la alimentacin y respiracin; hasta que muere y se desprende del plstico.

En el caso del Biofiltro, el agua que escurre por gravedad arrastra la biopelcula parcialmente muerta. En el caso del Biodisco, la fuerza de friccin que se produce al girar los discos dentro del agua hace ms eficiente el desprendimiento de la Biopelcula parcialmente muerta. En el caso de BAS y PFS, el aire al ascender por el medio plstico, favorece el desprendimiento y arrastre de la biopelcula parcialmente muerta. A mayor turbulencia mayor fuerza de arrastre.

En todos los casos, en la superficie plstica que queda libre al desprenderse la pelcula envejecida, se inicia el crecimiento de una nueva pelcula. Es un proceso dinmico repetitivo.

El efluente de los sistemas de Biopelcula, que contiene flculos de biopelcula parcialmente muerta, se conduce a un tanque de sedimentacin, en donde, por la fuerza de gravedad, los flculos caen al fondo, y el agua clarificada se obtiene por la parte superior.

PREMISAS PARA DEDUCCIN DE UNA ECUACIN GENERAL DE DISEO, PARA PROCESOS DE BIOPELCULA.

La concentracin de DBO en el agua residual vara a lo largo del reactor. La concentracin de DBO disminuye en el sentido del flujo. El movimiento de cada partcula es siempre hacia adelante y no hay mezcla retrograda. La cintica de reaccin es de segundo orden e irreversible. El reactante A es la materia orgnica expresada como DBO (alimento) y del reactante B son los microorganismos que se alimentan de la materia orgnica. La concentracin del reactante B depende del rea del medio plstico y condiciones del proceso. El producto de la reaccin es el incremento de biomasa de los microorganismos, que es a la vez es el reactante B. (No incluye otros subproductos resultantes del metabolismo de los microorganismos). La relacin M = reactante B / reactante A, vara continuamente en el tiempo. Los reactantes A y B, no se alimentan de acuerdo a alguna relacin estequiomtrica (Siempre existir reactante B para cualquier concentracin del reactante A). El medio en que se realiza el proceso (aguas residuales) es de densidad constante, por lo que se puede ignorar la variacin de volumen del caudal por el efecto de la temperatura. Se considera nicamente el comportamiento del proceso en rgimen estacionario (no se aborda la etapa en que no se han alcanzado dichas condiciones). S disminuye el gasto masa de DBO que alimenta al proceso de Biopelcula, se dificulta la alimentacin de los microorganismos, se favorece el desprendimiento de la biopelcula del medio plstico y disminuye la concentracin de B en el reactor. S aumenta el gasto masa de DBO alimentado al reactor, se favorece la alimentacin y crecimiento de los microorganismos, y aumenta la concentracin de B en el reactor.

ECUACIN DE DISEO

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

Fa = Gasto de masa de entrada del reactante A, DBO mg/s. Xa = Fraccin del reactante A convertida en producto, adimensional. - ra = Velocidad de reaccin del reactante A, basada en volumen de fluido V = Volumen total del reactor dV = Diferencial de volumen

El balance de materia, se expresa: Entra = sale + degrada (oxida) En donde los componentes del balance, son: Entra = Fa (gasto masa de entrada) Sale = Fa + dFa (gasto masa con la fraccin convertida en producto) Degrada = - ra dV (desaparece por reaccin) Substituyendo: Fa = (Fa + dFa) + (- ra ) dv dFa = ra dv

La variacin diferencial del gasto masa del reactante A en trminos de la fraccin convertida Fa = Fa o - FaoXa Fa = Fa o (1 - Xa) dFa = d { Fao(1 - Xa)} dFa = -Fao d Xa = rA dV

Por lo tanto:

Cao = Concentracin inicial del reactante A, en mg/l Q = Gasto volumtrico del fluido, l/s

Fao = CaoQ

Por lo tanto:

t r = Tiempo de retencin o residencia, aparente.

Para reaccin de segundo orden se tiene:

dV = dXa -------- ---------

Fao - ra

v

0

dV

Fao

dXa

- ra

Xa

0

=

V

Fao

dXa

- ra

Xa

0

=

V

CaoQ

dXa

- ra

Xa

0

=

V

Q

dXa

- ra

Xa

0

= Cao t r =

A + B B

r a = rb = k Ca Cb

k = Constante cintica, da -1. (mg/l) -1 Cb = Concentracin de microorganismos, mg/l Ca = Concentracin del sustrato, mg/l

Xa

tr = Cao dx - k Ca Cb

0

Se define: M = Cb Ca

Por lo tanto: Cb = M Ca

Para: M == 1

Al integrar y sustituir lmites, se obtiene:

tr = 1 ln M - Xa kCao (M-1) M( 1-Xa)

tr = 1 ln 1- Xa/M kCao (M-1) 1 - Xa

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

M = Cbo Cao

En esta relacin:

Cao = Concentracin inicial de DBO en mg / l Cbo = Concentracin de microorganismos en el reactor en mg/l

La concentracin Cbo en mg/l, es el peso de la biopelcula (Wp) en mg, dividido entre el volumen del reactor (Vr) en litros.

Cbo = Wp / Vr, en mg/ l Wp = Peso de la biopelcula, en mg Vr = Volumen del reactor, en litros

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

Wp = Vp x Yp, en mg Vp = Volumen de la biopelcula, en cm3 Yp = Peso especifico de la biopelcula, en mg / cm3

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

Vp = Ap x Ep en cm3 Ap = Area de la biopelcula en cm2 Ep = Espesor medio de la biopelcula en cm

Sea la relacin M:

M = Cbo = Ap. Ep. Yp / Vr Cao Cao

D = Densidad del medio = rea para pelcula / volumen del reactor = Ap (cm2 / litro) Vr

M = D. Ep. Yp Cao

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

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

M se puede expresar de la forma siguiente:

M = P . D Cao

La concentracin inicial Cao = So (concentracin de DBO inicial)

M se puede expresar de la forma siguiente:

M = P .D So

Sustituyendo Cao por So y M por la expresin anterior en la ecuacin del tiempo de retencin, se obtiene:

tr = 1 ln 1-XaSo/PD kSo(PD/So-1) 1-Xa

Anlisis dimensional:

tr = ________________________1_________________________ = das ( da -1. (mg/l)-1. mg/l [ (mg/cm2) . (cm2 / litro) / (mg/l) - adim ]

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

Vr =Q tr

Vr = m3/d. d = m3

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

D en m2/ m3 = D en cm2/l 10 At = Vr. D

At = m3. m2/m3 = m2

k, es la constante cintica Por ser una reaccin con cintica de segundo orden se expresa en Tiempo-1.Concentracin 1. En este caso, da -1. (mg/l)-1 El valor determinado experimentalmente para PFS a temperatura de 20 C, k = 0.016 das-1 . ( mg/l ) -1

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

REQUERIMIENTOS DE REA PARA DIFERENTES PROCESOS DE BIOPELICULA

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

BIOFILTRO

Ecuacin de German. Altura empacada, Z = Ln (So/Se) * qn k

So = DBO del influente en mg/l = 200 mg/l Se = DBO del efluente en mg/l = Es funcin de la remocin. q = Caudal especifico m3/hr/m2 = 1.8 n = Constante del empaque = 0.5 K= Constante cintica = 0.09 Area transversal del biofiltro, At = Q/q Q = Caudal del influente en m3/hr = 3.6 Area de contacto, A = At .Z. D D= Densidad del empaque m2/m3 = 88

BIODISCOS

1. Ecuacin de Kinkanon Stove A= ____Q So____ K1*So - K2 So-Se

K1 = Constante = 3.403 K2 = Constante = 3.37 So = DBO del influente en mg/l = 200 Se = DBO del efluente en mg/l = Funcin de la remocin Q = Caudal del influente en l/s = 1

2. Ecuacin de Popel A = Q(So-Se K(Se)1/2

K = Constante = 2.3 Q = Caudal del influente en m3/d = 86.4 So = DBO del influente en mg/l = 200 Se = DBO del efluente en mg/l = Funcin de la remocin

BIOFILTRO AEREADO SUMERGIDO, BAS.

Ecuacin Rusten Bjorn: r DQO = 273 * BDQO / (BDQO+360) BDQO.- Carga orgnica aplicada en g DQO/m2/d r DQO.- Tasa de remocin en g DQO removidos/m2/d La relacin entre la concentracin de la DQO y la DBO, la expresa en la forma siguiente: DBO = 0.381DBO-8.8 en mg/l

PELCULA FIJA SUMERGIDA, PFS.

Ecuacin de David Gmez : Ecuacin de este artculo. k = 0.016 das-1 . ( mg/l ) -1 P = 2.3 mg / cm2. D = Densidad del empaque = 330 cm2/l

Figura 1. Ejemplo de requerimientos de rea para BIOFILTRO (German), BIODISCOS (kinkanon), BIODISCOS ( Popel), BAS (Rusten) y PFS (Gmez)

REQUERIMIENTOS DE AREA DE CONTACTO

INFLUENTE: 1l/s, DBO 200 mg/l

0

500

1000

1500

2000

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

% DE REMOCIN

AREA (m2)

BIOFILTRO BIODISCOS P

PFS David Gmez Salas BAS

BIODISCOS K

APLICACIN DE LA ECUACIN GENERAL DE DISEO EN LOS SISTEMAS DE BIOFILTRO, BIODISCOS Y BAS.

La ecuacin general de diseo presentada en este artculo, deducida originalmente para el sistema de Pelcula Fija Sumergida (PFS), puede aplicarse tambin para el diseo de Biofiltros, Biodiscos y Biofiltro Aereado Sumergido (BAS), aplicando valores de lo parmetros P y K, que reflejen las caractersticas de estos sistemas.

Tericamente el valor del parmetro P ser menor para los sistemas que tienen menos superficie plstica activa, cuando hay menor contacto entre la biopelcula y la materia orgnica disuelta en el agua residual; cuando hay menor contacto de la Biopelcula con el oxgeno; y cuando son ms dbiles las fuerzas que remueven la biopelcula envejecida, parcialmente muerta.

Tericamente el valor del parmetro k ser menor en los sistemas en que se desarrollen microorganismos con menor capacidad para oxidar la materia orgnica disuelta en el agua residual.

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

Para aplicar la ecuacin general de diseo al sistema de Biofiltro, los valores de P, k y D son los siguientes: P = 3.275 mg / cm2. k = 0.006 das-1 . ( mg/l ) 1 . D = 880 cm2/l. Los clculos del rea de contacto con las ecuaciones de Germain y de Gmez, dan resultados similares, segn se muestra en la figura 2.

Para aplicar la ecuacin general de diseo al sistema de Biodiscos, los valores de P, k y D son los siguientes: P = 2.105 mg / cm2. k = 0.016 das-1 . ( mg/l ) 1 . D = 150 cm2/l. Los clculos

% DEREMOCIN Germain Gmez

0.0 0.0 0.00.1 55.6 50.70.2 110.3 107.80.3 176.2 173.00.4 252.4 248.80.5 342.5 339.00.6 452.8 450.30.7 594.9 594.80.8 795.3 800.00.9 1,137.8 1,153.4

AREA DE CONTACTO, m2BIOFILTRO BIOFILTRO Q = 1 L/S

0

300

600

900

1,200

0.00 0.50 1.00 % DE REMOCIN

AREA

EN

M2

GERMAIN

GMEZ

FIGURA 2

del rea de contacto con las ecuaciones de Germain y Gmez, dan resultados similares, segn se muestra en la figura 3.

Para aplicar la ecuacin general de diseo al sistema de Biofiltros Aereados Sumergidos (BAS), los valores de P, k y D son los siguientes: P = 0.615 mg / cm2. k = 0.016 das-1 . (mg/l) 1 . D = 880 cm2/l. El clculo del rea de contacto con las ecuaciones de Germain y Gmez, dan resultados similares, segn se muestra en la figura 4.

% de Remocin Kinkanon Popel Gmez

0 0 0 010 7 56 2720 15 119 6030 25 190 8740 39 274 15050 58 376 21560 87 504 30170 134 679 42580 226 950 62090 486 1512 1002

Area de contactoBIODISCOS Q = 1 L/S

BIODISCOS, 1 L/S

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100 % DE REMOCIN

AREA

EN

M2

KINKANON GMEZ POPEL

FIGURA 3

Bjorn GmezInfluente Efluente Efluente

DBOe DBOs DBOsmg/l mg/l mg/l100 28 28 120 35 35 140 41 42 160 48 48 180 56 56 200 63 63 220 71 71 240 79 79 260 87 87 280 96 95 300 104 104 320 113 113 340 122 122 360 131 132 380 141 141

BIOFILTRO AEREADO SUMERGIDOBIOFILTRO AEREADO

SUMERGIDO 1 L/S

0

40

80

120

160

100 200 300 400 DBO INFLUENTE, mg/l

DBO EFLUENTE mg / ll

BJORN

GMEZ

FIGURA 4

El lector podr observar que la ecuacin general es aplicable a los Sistemas de: Biofiltro, Biodiscos, Biofiltro Aereado Sumergido y Pelcula Fija Sumergida, utlizando los valores de los parmetros P y k, que en este articulo se sealan. Los valores de densidad (D) del material plstico que se aplicaron, son los ms comunes y comerciales que se fabrican para Biofltro, Biodiscos, BAS y PFS.

REFERENCIAS

Levenspiel O. (1980). Chemical Reaction Engineering. Illinois Institute of Technology. John Wiley. Lpez S.M. (1994). Desarrollo del sistema denominado placas Biolgicas en el tratamiento de aguas residuales domsticas. Tesis Facultad de Qumica UNAM, Mxico.

D.Gmez S. Ecuacin de diseo para PFS, XII Congreso Nacional 2000. FEMISCA.

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

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

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

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