Modelización de la Sedimentabilidad de los Fangos Activados 

Paola Duque Sarango(1)

Docente UPS- Quito, Ecuador. Teléfono E-Mail: pduque@ups.edu.ec paoduque_4@hotmail.com

Primeras Jornadas Nacionales de Estudiantes en Ciencias Ambientales

Riobamba.- 30-31 de enero de 2014

2

1. INTRODUCCIÓN

Reactor BiológicoDecantadorSecundario

Influente Efluente

Recirculación de fango

Purga

Reactor BiológicoDecantadorSecundario

Influente Efluente

Recirculación de fango

Purga

Sedimentación zonal

• F.A. la separación de los sólidos decantador secundario la sedimentación zonal.

• Los flóculos, independientemente de su tamaño, sedimentan todos a la misma velocidad, manteniendo la posición relativa entre ellos.

• La velocidad de sedimentación zonal es inversamente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos del fango

separación física por acción de la gravedad de partículas en suspensión / ρpart> ρaguaSEDIMENTACIÓN:

3

ensayo de sedimentabilidad de batch

distinguir cuatro

regímenes de sedimentación

distintos:

B-C) Etapa de sedimentación zonal

Existe una interfase entre el fango y el sobrenadante.

Las partículas se mueven como un bloque conservando sus posiciones relativas.

2. BASE CIENTÍFICO – TEÓRICA

4

COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN

Coagulación: desestabilización eléctrica de las partículas en suspensión cargadas electrostáticamente.

Floculación: en la formación de flóculos por la colisión y adherencia entre partículas coaguladas.

Solubilidad en el equilibrio de Fe(OH)/s)

Química de coagulación con sales de hierro

En disolución acuosa los cationes metálicos Fe3+, se hidrata con 6 moléculas de agua Me(H2O)6 3+.

El ion acuometálico hidrolizarse y formar especies cuya formación depende del pH:• cargadas positivamente: Me(OH)2+,

Me(OH)2 4+, Me (OH)2

+ , Me (0H)4 5+

• neutras: Me(OH)3

• cargadas negativamente: Me(OH)4-.

5

EFECTO DE LAS SALES DE HIERRO EN LA SEDIMENTACIÓN DE LOS FANGOS ACTIVADOS

Relación entre la sedimentabilidad (DSVI) y dosis de hierro.(Jang, 2006).

Estudios Empeoran o mejoran la sedimentación de los F.A.

Concentraciones adecuadas de Fe (III) mejora la capacidad del fango activado para retener partículas y materia coloidal en los flóculos, pero que el exceso de dosis de Fe (III) debilita el proceso (Li, 1999)

Afirman que las sales de Fe dosificadas en F.A., mejoran las propiedades de los flóculos (controlando el bulking) (Gregorio, et al., 2010)

Efecto de la dosis de coagulante en la sedimentación (Fe-P) (Gregorio, et al., 2010)

6

3. OBJETIVO

Se planteó como objetivo general de investigación: “Estudio de la influencia de la adición de cloruro férrico en la sedimentabilidad de los fangos activados”.

7

3.1 ENSAYOS PARA DETERMINAR VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN ZONAL Y SU MODELIZACIÓN

SS (g/L)Vs

(cm/min)

0,676 12,2210,988 9,0121,016 8,9241,608 4,8082,644 3,0434,796 0,178

OriginalVol fango = 1LVol sobren = 0 L

Dilución: 0,8Vol fangoanterior = 0,8 LVol sobren = 0.2 L

Dilución: 0,5Vol fangoanterior = 0,5 LVol sobren = 0,5 L

Dilución: 0,35Vol fangoanterior = 0,35 LVol sobren = 0,65 L

Concentración: 200%Vol fangoanterior = 2 LVol concetrado = 1 L

Fango Originalen agitación

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

0

20

40

60

80

100

120

6,3443,8322,7782,241,872

Tiempo (min)

Alt

ura

(cm

)

tiempo (min)

altura

(cm)

0 2 4 6 851

61

71

81

91

101

tiempo (min)

Resid

uo es

tuden

tizado

0 2 4 6 8-2,2

-1,2

-0,2

0,8

1,8

2,8

1 2 3 4 50

2

4

6

8

1 0

1 2

S S g l

Vse

dcmmin

Programa Mathematica 7.0 de Wolfram Research

Programa Statgraphics 16.1.15

4. METODOLOGÍA

8

3.2 ENSAYOS CON PROCESOS DE COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN APLICANDO CLORURO FÉRRICO A DISTINTAS DOSIS

Sólidos suspendidos (SS)

pH

Conductividad

Temperatura

Turbidez

Hierro y Fosfatos

A) Adición de cloruro férrico sin

ajustar el Ph.

B) Adición de cloruro férrico

ajustando el pH a 6, 7 y 8 durante

el proceso de coagulación

C) Adición del cloruro férrico

previamente neutralizado a pH

7.

Coagulación=120 rpm/1 min.

Floculación = 25 rpm/20 min.

0.00 20.00 40.00 60.0023

25

27

29

31

33

0 2

4 6

8 10

Tiempo (min)

Alt

ura

(cm

)0.0 1000.0 2000.0 3000.0

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Dosis Fe (mg/L)V

el

sedi/

Vel

sedo

4.1 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE Cl3Fe EN LA VEL. DE SEDIMENTACIÓN DEL F.A. Y EN LA CALIDAD DEL SOBRENADANTE

Adicción de cloruro férrico sin ajustar el pH

A concentraciones adecuadas de Fe3+, se mejora la velocidad de sedimentación del fango activado

0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Dosis Fe (mg/L)

V.s

ed (

cm/m

in)

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

10

0.0 300.0 600.0 900.0 1200.01500.01800.02100.02400.02700.03000.00

1

2

3

4

5

6

7

8

f(x) = − 0.00797446985048166 x + 6.90969162995593R² = 0.950426332531694

pHfinpH0

DOSIS (mg Fe3+/L)

pH

Cantidades de 0 a 50ml/l (0 a 2817,4 mg Fe/L) el pH varió aproximadamente de 7 hasta 2

Dos regiones de comportamiento:

1. El pH desciende linealmente, al ↑ la dosis de coagulante2. El pH se mantiene estable alrededor de un valor de pH=2,5 para

dosis superiores a 281 mg Fe /L de la solución.

Análisis del Sobrenadante: pH

el pH considerablemente = comprometer el proceso biológico. No viable.

11

0.0 500.0 1000.0 1500.00.000

0.500

1.000

1.500

2.000

Fe total (mg/l))

V.s

ed (

cm

/min

)

0.000 50.000 100.000 150.0000.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

f(x) = 0.0470572625979143 x + 0.379925016687781R² = 0.924759335767615

Dosis Fe (mg/L)/SS(g/L)

Vel

sedi/

Vel

sedo

Adición del cloruro férrico previamente neutralizado a pH 7.

La vel. de sedimentación crece linealmente respecto de la dosis.

Inicialmente: ↑ la vel. de sedimentación al ↑ la dosis de

coagulante. Luego: la vel. de sedimentación

12

•pH

0 5 10 15 20 256

6.5

7

7.5

8

pH0

pHfin

Dosis FeCl3 (ml)

pH

0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.00

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.35 24/11/2011

Dosis Fe (mg/L)

Fe 3

+ (

mg/L

)

•Fe3+ en el sobrenadante

•Turbidez residual en el sobrenadante

0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.002468

10121416 24/11/2011

Dosis Fe (mg/L)

Tu

rbid

ez

(NT

U)

•Eliminación de fósforo en los fangos activados

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.00

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5 24/11/2011

Dosis Fe (mg/L)

PO

4-

(mg/L

)

Sobrenadante ajustado previamente el pH del FeCl3 a 7.

13

0.0 1000.0 2000.0 3000.00.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

06/10/2011 (SSo = 3,5 g/L)

14/10/2011 (SSo = 3,5 g/L)

Dosis Fe (mg/L)

Vel

sedi/

Vel

sedo

Comparación del comportamiento de la velocidad de sedimentación del fango activado.

0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0

0.5

1.0

1.5

18/11/2011 (SSo = 2,2 g/L)

18/11/2011 (SSo = 3,7 g/L)

14/11/2011 (SSo = 2,17 g/L)

Dosis Fe (mg/L)

Vel

sedi/

Vel

sedo

0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

24/11/2011 (Sso = 2,7 g/L) Ph:8

18/11/2011 (SSo = 3,1 g/L) Ph:6

Dosis Fe (mg/L)

Vel

sedi/

Vel

sedo

0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0001.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000

28/11/2011 (SSo=4,88 g/L)

Fe total (mg/l))

Vel

sedi/

Vel

sedo

A) Coagulante aplicado sin corrección del pH

B) Coagulante aplicado corrigiendo el pH a 7 durante el proceso de coagulación

C) Coagulante aplicado corrigiendo el pH a 6 y 8 durante el proceso de

coagulación

D) Coagulante previamente neutralizado

14

SS (g/L)Vs

(cm/min)

1,8 6,880

3,3 0,482

3,8 0,346

5,2 0,150

Modelo de Richardson et. al.

2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 00

1

2

3

4

5

6

7

S S g l

Vse

dcmmin

R2= 0.998

Modelo Exponencial

2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 00

1

2

3

4

5

6

7

S S g l

Vse

dcmmin

R2=0.999

SS)( = S

V 65.44.03.2 e = V SS

S7.12.136

0 92,5 185,0 277,5 370,0 462,5Dosis FeCl3

(mg/L)

representado para cada una de las dosis ensayadas la V. sed. en función de los SS:

4.3 MODELIZACIÓN DE LA VEL. DE SEDIMENTACIÓN DEL FANGO ACTIVADO CON ADICIÓN DE CLORURO FÉRRICO NEUTRALIZADO A PH 7

15

Relación de los parámetros del modelo de Richardson et. al.

4.4 RELACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LOS MODELOS CON LA DOSIS DE CLORURO FÉRRICO AÑADIDA

Los parámetros k y n de los modelos de Richardson et. al. y exponencial dependen de la concentración de dosis de Fe añadida

Reparametrizado la ecuación del modelo de Richardson et. al:

velocidad de sedimentación de los

flóculos en condiciones de Re pequeño, por

medio de la ley de Stokes

relacionado con la densidad y la porosidad de los flóculos del fango activado

16

Parámetro Vo

Vo =36.649-0.063dosis+0.0002dosis2

R2=0,961

Vo =34.0429+0.0338276 dosis

R2=0,787

TIPO ECUACIÓN

a (cm/mi

n)

ea (cm/mi

n)

b ((cm/min).(L/mg Fe))

eb ((cm/min).(L/mg Fe))

c (cm/min).(L/mg Fe)2

ec (cm/min)

(L/mg Fe)2)

R2SCR/N(cm/min)2

P-valor de a P-valor de b P-valor de c

Vo - dosis (polinomial)

36,6 2,2 0,06 0,03 2,09E-04 5,15E-05 0,961 111,464 3,52E-03 1,28E-01 5,57E-02

Vo - dosis (lineal)

34,0 3,0 0,03 0,01 0,787 457,079 1,48E-03 4,49E-02

el modelo cuadrático se ajusta mejor a los datos

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 02 0

3 0

4 0

5 0

6 0

D o s i s F e m g l

Vo

cmmin

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 02 0

3 0

4 0

5 0

6 0

D o s i s F e m g l

Vocmmi

n

17

Se ha considerado una relación lineal del parámetro j respecto de la dosis de cloruro férrico

Parámetro j

j =0.203-0.00004 dosis

R2=0,947

0 100 200 300 400

0.002

0.001

0.000

0.001

0.002

D osis F e mg lR

esid

uojlg

TIPO ECUACIÓN

a´ (cm/min)1/4,

65

ea´ (cm/min)1/4,

65

b´ (cm/min)1/4,65(L/mg

Fe)

eb´ (cm/min)1/4,65.(L/

mg Fe)

R2 SCR/N(cm/min)2

P-valor de a´

P-valor de b´

j - dosis (lineal) 0,202 0,002 4,07E-05 5,53E-06 0,947 1,35E-05 1,16E-06 5,19E-03

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 00 . 1 7

0 . 1 8

0 . 1 9

0 . 2 0

0 . 2 1

0 . 2 2

D o s i s F e m g l

jlg

18

Relación de los parámetros del modelo exponencial

k a una ecuación de tipo polinomial de orden dos

TIPO ECUACIÓN

a(cm/min)

ea (cm/min

)

b ((cm/min).(L/mg Fe))

eb ((cm/min).(L/mg Fe))

c (cm/min)(L/mg Fe)2

ec c (cm/min)(L/mg Fe)2

R2SCR/N(cm/min)2

P-valor de a P-valor de b P-valor de c

k - dosis (polinomio) 230,0 22,8 1,1 0,3 1,98E-03 5,39E-04 0,896 1217,330 9,68E-03 5,64E-02 6,69E-02

relación lineal de n frente a la dosis de cloruro férrico

TIPO ECUACIÓN a´(L2/(g SS.mg Fe))

ea´(L2/(g SS.mg Fe))

b´(L3/(g SS. mg Fe))

eb´(L3/(g SS. mg Fe))

R2 SCR/N(cm/min)2

P-valor de a´

P-valor de b´

n - dosis (lineal) 2,1 0,1 1,17E-03 2,19E-04 0,905 2,115E-02 6,08E-05 1,27E-02

Parámetro k Parámetro n

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

3 5 0

D o s i s F e m g l

kcmmin

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 01 . 4

1 . 6

1 . 8

2 . 0

2 . 2

2 . 4

2 . 6

D o s i s F e m g l n

lg

19

• Modelo de Richardson et. al. propuesto:

• Modelo Exponencial propuesto:

Para la depuradora de aguas residuales estudiada

Para la depuradora de aguas residuales estudiada

↑la dosis de coagulante ↑la velocidad de sedimentación del fango activado.

Vo depende de la densidad y del diámetro de los flóculos. Al ↑la dosis de coagulante ↑la densidad de los flóculos y por tanto ↑la velocidad de sedimentación

20

5. CONCLUSIONES

La adición de FeCl3 sin ajustar el pH mejora la velocidad de sedimentación zonal. Produce un descenso brusco en el pHinviable el proceso biológico de F.A.

La adición de FeCl3 ajustando el pH a 7 y 8 (coagulación) empeora la sedimentabilidad del fango. Si se ajusta el pH a 6 se produce una mejora de la velocidad de sedimentación zonal.

21

Cuando se añade FeCl3 previamente neutralizado al F. A. (de 0 a 500 mgFe/L):

Supone una notable mejoría en la velocidad de sedimentación del fango.

Para una concentración constante de SS la velocidad de sedimentación aumenta linealmente con la dosis de Fe añadida.

El incremento de la velocidad de sedimentación con FeCl3

neutralizado es incremento de la densidad de los flóculos, junto con la desestabilización del fango producida por la adición del coagulante.

La calidad del sobrenadante mejora con la adición del coagulante.

Se han obtenido dos modelos matemáticos describir la velocidad de sedimentación zonal en función de la concentración de S.S. de los fangos y de la dosis de FeCl3 añadida.

22

6. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO

Los parámetros del modelo de Richardson et. al., Vo y j, con las características de los flóculos del fango activado. Una línea de investigación Medir experimentalmente el tamaño, la densidad y la porosidad de los flóculos para incluir estas variables en el modelo.

Estudiar además del efecto físico que supone el incremento en la densidad de los flóculos, el efecto químico en el ↑de la velocidad de sedimentación (los procesos de desestabilización que tienen lugar entre las sustancias poliméricas extracelulares del fango activado, y el Fe3+ y los complejos hidroxometálicos formados)

Uso de otros coagulantes y/o polielectrolitos. En la bibliografía la sedimentabilidad del fango índices como el IVF o el IVFA. Util disponer de modelos matemáticos que permitieran diseñar y simular decantadores secundarios teniendo en cuenta la adición de coagulantes y/o polielectrolitos

23

Gracias…