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Casa abierta al tiempo
UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA.
LICENCIATURA EN INGENIERIA QUIMICA.
LABORATORIO DE PROCESOS Y DISEÑO III.
PROYECTO TERMINAL
PROYECTO PRESENTADO POR
HERNANDEZ HERNANDEZ RICARDO 91219986
MARTINEZ MEDINA JUANA LUCIA 91322539
MENDIOLA VILCHIS CLOTILDE ALICIA 92223379
SALAZAR JUAREZ GERARD0 ROBERTO 89227858
ASESOR:
DR. RICHARD STEVE RUIZ MARTINEZ
._ FIRMA
MAYO DE 1997
I. Resumen
II. Objetivo
m. Introducción
IV. Análisis de mercado
V. Antecedentes
V. l . Características de los efluentes de la industria láctea
V.2. Pretratamientos
V.2. l. Rejillas
V.2.2. Desgrasadores-decantadores
V.2.3. Tanque de compensación
V.2.4. Control de pH
V.3. Procesos existentes
V.3. l . Digestión aeróbia
V.3.2. Digestión anaeróbia
V.3.3. Filtros dobles alternados
V.3.4. Procesos aereados
V.3.4. l . Procesos de lodos activados
V.3.4.2. Aereación extendida
V.3.4.3. Lagunas aereadas
V.3.5. Lagunas de estabilización
V.3.5. l . Lagunas anaeróbicas
V.3.5.2. Lagunas aeróbicas
V.3.5.3. Lagunas facultativas
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VI. Selección del proceso
VII. Tipos de reactores anaeróbicos
Vm. Selección del reactor anaeróbico
IX. Técnicas experimentales
X. Resultados
XI Empresa considerada a tratar sus efluentes
XII. Recomendaciones para la operación de la planta
XIII. Conclusiones
APENDICES.
Apéndice A. Norma para la protección ambiental
Apéndice B. Aprovechamiento del biogás
Apéndice C. Seguridad
Apéndice D. Técnica para la determinación del DQO
Apendice E. Determinación de la cinética
Apendice F. Memoria de cálculo
Bibliografia
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En el presente trabajo se reporta el estudio de un proceso para la depuración de los efluentes
contaminantes de la industria láctea, ya que dicha industria contribuye notablemente a la
contaminación debido a la naturaleza orgánica de sus aguas residuales, pues la presencia de la leche
y sus derivados en el agua tienen un efecto consumidor de oxígeno que puede ocasionar graves
problemas a plantas y animales acuáticos.
Dicho estudio consiste en identificar los principales constituyentes de los efluentes contaminantes,
para después de un análisis de los procesos existentes dicernir cual es el proceso que más se adecua
a las necesidades de la industria en cuestión. Partiendo de lo anterior se reporta el disefio de una
planta de tratamiento de los efluentes contaminantes de la rehidratadora LICONSA Tláhuac. Una
vez elegido el proceso se hace una descripción tanto de las técnicas experimentales, como de los
reactores a nivel planta piloto como medio en la obtención de los parámetros cinéticos, los cuales
intervienen, como se explicará más adelante, en el diseño y escalamiento del reactor biológico a
nivel industrial. También se reporta la distribución y el escalamiento de los equipos necesarios para
el proceso depurador, así como sus costos.
1
-Diseño de una planta para la depuración de efluentes de la rehidratadora de LICONSA Tláhuac.
2
El problema de la contaminación en México ha llegado a niveles alarmantes, por lo que se han
implementado medidas ecológicas para combatirla. Se sabe que el sector productivo con mayores
problemas de contaminación es el industrial.
Desechos orgánicos con una alta demanda de oxígeno son descargados por muchas industrias,
incluyendo las lácteas, rastros y procesamiento de frutas. Como resultado de éste tipo de
contaminantes se ha implementado la Norma Oficial Mexicana NOM-CCA-009-ECOL/93, que
establece los límites perrrricibles de contaminantes en la descarga de aguas residuales a cuerpos
receptores provenientes de la industria elaboradora de leche y sus derivados; pubiicado en el diario
oficial con fecha: lunes 28 de junio de 1993. Es así como nace éste proyecto, con la finalidad de
disefiar un proceso para el tratamiento de dichas aguas residuales.
El tratamiento de aguas residuales implica cuatro fases de tratamiento: uno preliminar, que consiste
en eliminar mediante operaciones fisicas, sólidos de gran tamaño y densidad; uno primario, que
elimina por sedimentación al 30% de la materia orgánica contenida; un tratamiento secundario, que
por lo general es biológico, en el que se elimina la materia orgánica disuelta o suspendida; y, por
ultimo, un tratamiento tkrciario, que consiste en remover los nutrientes nitrogenados y fosforados,
todo esto con la finalidad de evitar el crecimiento de formas de vida indeseables en los lugares
donde se descarga el agua tratada.
Debido a su naturaleza orgánica, los desechos de la industria láctea generalmente responden
satisfactoriamente a los tratamientos biológicos: el anaerobio y el aerobio.
La digestibn anaerobia de la materia orgánica, genera coma productos finales metano y bioxido
de carbono.
La digestión anaerobia ha sido empleada durante muchos anos en el tratamiento de efluentes
industriales con altas concentraciones de materia orgbca, así como en la estabilización de lodos
biológicos, generados en la depuración anaerobia de residuales; sobre todo mediante el uso de
reactores convencionales en los que se requieren largos tiempos de retención hidráulica. Esta
situación ha estado condicionada hndamentalmente por el desconocimiento del proceso de la
3
metanogénesis y las bajas velocidades de crecimiento de las bacterias encargadas de la etapa de
formación del metano en el proceso global de la digestión (Mc Carty 1982).
Sin embargo, con el descubrimiento de nuevos aspectos del proceso se definieron tecnologías que
consideran la retención de la biomasa activa en los reactores. Esto permite disminuir los tiempos de
retención hidráulica de los efluentes a tratar y a la vez ampliar el alcance de aplicación de esta ruta
metabólica como biotecnología de depuración para el tratamiento de residuales con menores
concentraciones de contaminantes, expresadas como Demanda Química de Oxígeno (DQO). De
esta forma se mantiene una buena eficiencia de remoción y valores aceptables de conversión de la
materia orgánica removida en biogas, aunque con menores indices de generación por unidad de
volumen de reactor (Van den Berg 1984).
El tratamiento de efluentes lácteos se aplicará a la rehidratadora de LICONSA Tláhuac. Al conocer
las características fbndamentales de las aguas residuales de la industria a tratar, se fijó como
objetivo el estudio de los efluentes a nivel planta piloto, bajo un tratamiento anaerobio utilizando
dos reactores de lecho fluidiado, con soportes de arena, cada uno de diferente tamaiio de
partícula; obteniendo la cinética de los reactores para posteriormente realizar el diseño de una
planta industrial
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Para el año 2000 México tendra más de 100 millones de habitantes (50% menores de 16 afíos). La
leche de vaca y sus derivados son elementos hndamentales para la alimentación y para el
desarrollo del ser humano, especialmente en las primeras etapas de su vida; pero la insuficiente
producción primaria y sus altos costos son una barrera para la oferta y por lo tanto para su
consumo.
El consumo percápita diario es de 302 ml cuando el recomendado por la FA0 es de 500 m l .
En 1986 se estimó una demanda de más de 9500 millones de litros de leche, que se incrementará a
razón de 2.12 % anual durante los próximos 10 años.
El destino de la produccibn nacional de leche es como sigue:
- 48 % de leche bronca para autoconsumo.
- 52 % para procesos industriales.
* 46 % pasteurización.
* 12 % leche evaporada, descremada, condensada y dietética.
* 42 % quesos cremas y mantequilla.
Las actividades industriales del sistema leche comprenden la pasteurización, rehidratación,
homogeneización y envasado de leche , fabricación de queso, crema y mantequilla, elaboración de
leche condensada, evaporada y en polvo, cajeta, helados, yogurth y otros. A continuación se
presentan datos (tabla IV. 1 y IV.2) acerca de la evolución del volúmen y valor de la producción de
los mismos.
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TABLA IV. 1 VOLUMEN Y VALOR DE LA PRODUCCION.
PASTEURIZACION, REHIDRATACION TOTAL Y ENVASADO DE V.P. LECHE
388 986 533 397 555 746 4.2 42.9
LECHE:
PASTEURIZADA MILES LTS . CANTIDAD 1461 1 775 1 669 -6.0 14.2 VALOR 1965 3 224 3 125 -3.1 59.0
PASTEURIZADA Y MILES LTS. CANTIDAD 101 968 103 488 101 003 HOMOGENIZADA VALOR 178 523 276 385 280 701 1.6 57.2
-2.4 0.9
ULTRAPASTEURIZADA MILESLTS. CANTIDAD 47338 36 60 1 38 045 3.9 19.6 VALOR 83 472 94 215 97 170 3.1 16.4
REHIDRATADA MILES LTS. CANTIDAD 39 411 40 O01 40 197 0.5 2.0 VALOR 29 355 42 143 42 730 1.4 45.6
DERIVADOS DE LECHE:
CREMA O GRASA TONELADAS CANTIDAD 3 756 2 543 2 970 BUTIRICA VALOR 28 302 32 119 41 391 28.9 46.2
16.8 20.9
QUESO TONELADAS CANTIDAD 660 464 443 VALOR
-4.5 32.9 11 578 14 677 14 114 -3.8 21.9
OTROS DERIVADOS VALOR 30 364 42 642 40 323 -5.4 32.8
OTROS DESECHOS Y SUBPRODUCTOS VALOR 23 706 26 549 32 917 24.0 38.9
OTROS PRODUCTOS NO GENERICOS VALOR 1721 1 443 3 275 127.0 90.3
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TABLA IV.2. VOLUMEN Y VALOR DE LA PRODUCCI~N.
ELABORACION DE LECHE CONDENSADA, TOTAL EVAPORADA Y EN V.P. POLVO.
182 204 353 095 370 O01 4.8 103.0
LECHE EN POLVO:
ENTERA TONELADAS CANTIDAD 3 614 4 753 4 731 -0.5 30.9 VALOR 60 301 136 736 148 041 8.3 145.5
PARALACTANTES TONELADAS CANTIDAD 430 457 597 30.6 38.8 VALOR 9 450 12 178 12 901 5.9 36.5
OTRAS LECHES DIETETICAS EN POLVO TONELADAS CANTIDAD 1 220 1 632 1535 -5.9 25.8
VALOR 23 028 56 990 59 770 4.9 159.6
LECHE CONDENSADA TONELADAS CANTIDAD 3 428 3 061 3 212 4.9 VALOR 24 339 37 687 42301 12.2 73.8
6.3
LECHE EVAPORADA TONELADAS CANTIDAD 8 344 8 O00 6692 -15.4 VALOR
19.8 37 526 60 469 59 973 -0.8 59.8
OTROS DESECHOS Y SUBPRODUCTOS VALOR 6 810 13 795 16005 16.0 135.0
OTROS PRODUCTOS NO GENERICOS VALOR 2 100 2 702 4 499 66.5 114.2
De acuerdo con lo anterior cada vez son más las industrias lecheras que requieren de un
tratamiento para sus efluentes, que le permita cumplir con lo establecido por las normas ecológicas.
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V. l . CARACTERISTICAS DE LOS EFLUENTES DE LA INDUSTRIA LACTEA.
Los desechos más comunmente generados en la industria láctea son:
-Leche separada.
-Suero de mantequilla.
-Suero de leche.
-Leches agrias y fermentadas.
Los efluentes de esta industria estan constituidos principalmente por diferentes diluciones de leche
cruda, leche tratada, mantequilla y sueros de derrames, así como restos caramelizados en
depósitos, botellas, tanques, zonas calientes, etc . Por lo que presentan un alto contenido en
materia orgánica disuelta ( l o 0 0 ppm de DBO), DQO=2.5 - 3 4. Estos efluentes también contienen generalmente restos mezclados con productos químicos
alcalinos utilizados para la limpieza. Los compuestos químicos usualmente empleados son:
- Detergentes alcalinos formulados con NaOH con o sin adición de silicatos, fosfatos y agentes
quelatantes de calcio.
- Acido nítrico y fosfórico (En la limpieza de tanques de acero).
- Agentes esterilizantes (hipoclorito de sodio). Estos detergentes son empleados a bajas
concentraciones y no ocasionan contaminantes significativos, aunque pueden tener influencia en el
pH del efluente.
Las aguas residuales de la industria láctea son generalmente neutras o un poco alcalinas. Pero
tienen tendencia a volverse ácidas muy rápidamente a causa de la fermentación de la lactosa, que se
transforma en ac. láctico bajo condiciones de anaerobiosis. Este ácido precipita la caseína
generando fkertes olores a ac. butírico. Las aguas residuales de la ind. láctea contienen poca
materia en suspensión. Los sólidos presentes en las aguas residuales de la industria láctea son
representativos de los principales constituyentes de la leche: Bcidos grasos de la mantequilla,
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caseína y otras proteínas de la leche, lactosa y sales inorgánicas. Estos componentes pueden estar
presentes en solución o suspensi6n coloidal dependiendo del tipo de proueso aplicado a la leche.
Los efectos contaminantes de ésta industria se deben a la demanda de oxígeno. La presencia de
leche y sus derivados en el agua tienen un efecto consumidor de oxígeno, debido a la oxidación
biológica. Esta desoxigenación puede causar graves problemas a plantas y animales acuáticos al
reducir el oxígeno disponible para su metabolismo.
Las principales operaciones que producen vertidos contaminantes son:
-Lavado y esterilizado de: depósitos, tanques, equipos de enfriamiento, equipos de proceso,
tuberias.
Algunas de las características anteriores se sintetizan en la tabla V. l.
tabla V. 1. características generales de los efluentes lecheros.
característica promedio rango 1 volumen d e l efluente (m3/1000 1 leche) 1-2 0.5-4 1 carga DBO (kg4000 I leche) O. 8-2 0.3-5
concentración DBO (ma) 500-2000 1-5000
-0 1.4 1.1-2.8
solidos suspendidos (gil) 1 -2 0-250
PH 9-10.5 1-13
temperatura (C) 7.8-37.8
fosfatos (m@) 49 12-210
clonuos (ma) 482 46-1930
nitrógeno (ma) 5.4 1-13.2
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V.2 PRETRATAMIENTOS
Independientemente del método de tratamiento escogido, es necesario en todos los casos un
pretratamiento para controlar la composición de los efluentes de la planta; por lo cual en primer
lugar se describen los pretratamientos existentes.
El pretratamiento dependerá hndamentalmente del tratamiento posterior que se ha proyectado.
V.2. l . REJILLAS.
Es necesario preever una rejilla de metal para atrapar materiales grandes que puedan obstruir los
drenajes.
V.2.2. DESGRASADORES-DECANTADORES.
Tiene por objeto separar sólidos grasos y eventuales contenidos de arenas y otros materiales que
decantan rapidamente; ambos tipos de elementos arrastrados por el desague pueden ser separados
en poco tiempo y por la sola acción de la gravedad.
La permanencia de los líquidos en esta etapa debe ser reducida en tiempo pues de lo contrario se
afecta la calidad del efluente por envejecimiento, con disminución del pH, producción de olores y
consecuencias en las etapas subsiguientes.
En procesos de los lodos activados y biofltros esta precipitación inicial no es recomendable, pues
podría causar periodos de anaerobiosis no convenientes para estos procesos.
V.2.3. TANQUE DE COMPENSACION.
Para maximizar la eficiencia en una planta de tratamiento es necesario operarla a tasas de flujo
constantes de un fluido relativamente consistente en su composición.
10
Como hay una amplia variación en el caudal y en la concentración de materias contaminantes en los
vertientes, es conveniente contar con un periodo de igualación y retención para hornogenizar las
aguas residuales antes del tratamiento.
Durante este pretratamiento es necesario dar una aereación. La aereación por un día produce una
reducción del 50 % del DBO y elimina olores desagradables.
V.2.4. CONTROL DE pH.
El pH óptimo para el tratamiento biológico es de 6.8-7.8, el control de este parámetro en los
efluentes de la industria láctea generalmente no es necesario (siempre y cuando el tanque de
compensación esté bien diseiiado). El detergente usado durante la limpieza, generalmente produce
condiciones alcalinas, que en el proceso de leche fresca durante el embotellado, puede ocasionar un
pH muy alto que en ocasiones justifica la instalación de un tanque de ajuste de pH.
11
V.3 PROCESOS EXISTENTES.
Debido a la naturaleza orgánica de los desechos de la industria láctea, generalmente responden
satisfactoriamente a los tratamientos biológicos. Existen dos clases de tratamientos biológicos: El
anaerobio y el aerobio.
Los principales procesos biológicos existentes se describen a continuación.
V. 3. l . DIGESTION AEROBIA.
El proceso aerobio es capaz de eliminar eficientemente la materia orgánica y entregar aguas con
muy bajas concentraciones de materia orgánica (20 mg DQOAt); aunque para el tratamiento de
aguas con una alta concentración de materia orgánica, este proceso presenta problemas
relacionados con la transferencia de oxígeno, además la generación de lodos (biomasa) aumenta
sensiblemante los costos.
V. 3.2. DIGESTION ANAEROBIA.
La digestión anaerobia de la materia orgánica, genera como productos hales metano y bióxido de
carbono, debido al metabolismo de los microorganismos implicados; se genera muy poca cantidad
de biomasa en comparación con la mayoría de los tratamientos aerobios; ya que menos del 10% de
la energía de los sustratos consumidos es destinado a la síntesis celular. Con esta tecnología se
pueden degradar concentraciones altas de materia orgánica; aunque es muy sensible a los cambios
en las condiciones ambientales como pH, y temperatura .
V.3.3. FILTROS DOBLES ALTERNADOS.
Este método ha sido ampliamente utilizado en la industria láctea con buenos resultados. Con estos
filtros en dos etapas se logra obtener más del 90 % de reducción en la DBO.
El procedimiento consiste en pasar los efluentes de un primer filtrado por un segundo filtro que se
pueden conectar en serie, recomendandose cambiar el orden a intervalos semanales. Uno de los
problemas de estos sistemas es el elevado costo de instalación para plantas grandes.
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V.3.4. PROCESOS AEREADOS. Los procesos aereados requieren de la suspensión de microorganismos directamente en el efluente
que contiene la materia orgánica. Una fuente de oxigeno debe ser implementada para favorecer la
oxidación metabólica.
El proceso de aereación directa tiene bajos costos de instalación pero puede presentar altos costos
de operación.
V.3.4. l. PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS.
Este sistema consta de un tanque de aereación y un sedimentador secundario con recirculación de
lodos. Sus características funcionales son las siguientes:
-Los cambios bruscos en la carga del efluente son atenuados mediante el tanque de compensación.
- La alta generación de lodos activados produce excedentes, de los cuales es necesario disponer
adecuadamente.
- Los costos de instalación son elevados y los de operación también debido a los consumos
enérgeticos.
Muchas veces se ha tratado de eliminar el empleo del tanque de compensación mediante la
introducción del efluente en distintos puntos de la camara de aereación, evitando de esta forma los
picos en la demanda de oxígeno que surgen por las variaciones en la carga del efluente, a este
procedimiento se le denomina aereación en etapas. Su ventaja con respecto al sistema convencional
recide en el mejor aprovechamiento del oxígeno suministrado.
Este proceso ha demostrado ser un método útil para el tratamiento completo de estas aguas
residudes.
V.3.4.2. AEREACION EXTENDIDA.
Esta es una modificación del proceso de lodos activados, donde el tiempo de retención para la
aereación es aumentado con el propósito de oxidar y estabilizar el exceso de lodos producidos,
reduciendo a un mínimo su presencia.
La aereación es proporcionada por un motor que hace girar un eje que cruza el río y contiene
cerdas de cepillo, de tal manera que causan agitación y turbulencia en la superficie del efluente. Las
ventajas de este sistema son:
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- Costos de instalación bajos.
- Bajo volumen de lodos residuales producidos.
La principal desventaja es la necesidad de terreno requerido.
V.3.4.3. LAGUNAS AEREADAS.
Su principio de fbncionamiento se hndamenta en el de lodos activados pero con tiempos de
retención en el estanque de aereación de 1 O a 15 veces mayores.
V. 3.5. LAGUNAS DE ESTABILZZACION.
Es una solución muy conveniente cuando las condiciones locales lo permiten, mediante una acción
fisica, conjunta procesos desarrollados por bacterias y algas se pueden lograr depuraciones
biológicas eficientes con infimo costo en líquidos cloacales y desagues de lecherías.
En el ambito de su aplicación las principales ventajas que ofrece el sistema son:
- Ausencia de estructura.
- No requiere equipos mecánicos ( no existe consumo de energía).
- Mínima pérdida de carga.
- Operación y mantenimiento mínimos.
- Fácil ampliación.
- Alta eficiencia en la eliminación de microorgmismos patbgenos.
- Extenso terreno requerido.
Su clasificación es la siguiente:
V. 3.5 .1 LAGUNAS ANAEROBICAS.
Estas lagunas de estabilizacibn favorecen la descomposición de la materia orgánica por acción
bacteriana desarrollada en ausencia de oxigeno disuelto.
V.3.5.2. LAGUNAS AEROBICAS.
En este caso el tratamiento depende del desarrollo de algas para la provisión del oxígeno necesario
para satisfacer la DBO aplicada a la laguna, por lo tanto, al ser la luz s o l a r esencial para este
14
desarrollo la prokndidad de la laguna esta limitada al pasaje de luz a través de la misma, por 10 que
no excederá de 45 cm.
Este método no tiene gran dihsión por el problema de la gran demanda de supeficie y a pesar de
ser de mantenimiento mínimo, su diseño, que debe ser muy estricto, las hace costosas y poco
prácticas.
V. 3 .5 .3 LAGUNAS FACULTATIVAS.
Es un método muy usado y bastante efectivo; pueden ser reconocidas tres zonas de degradación en
ellas:
- La zona superior de la laguna en la que predominan las bacterias aerobias.
- La zona del fondo de la laguna, donde se sedimenta la mayor parte de los sólidos suspendidos del
líquido contenido, en la que existe un proceso anaeróbico.
- Una zona intermedia en la que el contenido de oxígeno disuelto puede ser muy variable y aún
estar ausente.
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Para decidir el tipo de proceso se deben confrontar ventajas y desventajas de los procesos aerobio
y anaerobio .
PROCESO AEROBICO.
Ventajas:
- Entrega aguas con bajas concentraciones de materia orgánica.
Desventajas:
- Requiere grandes volúmenes de aire.
- Grandes áreas de terreno (lagunas).
- Alta generación de lodos activados.
- Altos costos debido al requerimiento de energía para la aereación continua.
PROCESO ANAEROBICO.
Ventajas:
- Generación baja de lodos activados, debido a que menos del 10% de la energía de los sustratos es
destinada a la síntesis celular.
- Degrada concentraciones altas de materia orgánica (remoción del 90%).
- Bajo tiempo de retención hidráulico.
- Area destinada al reactor pequeña.
- Producción de biogas.
- Costos menores de operación comparados con el proceso aeróbico.
Desventajas:
- Sensible a altas concentraciones de amoníaco , sodio y potasio.
- Es sensible a cambios de temperatura y pH. Analizando las ventajas y desventajas anteriores se encuentra que el proceso anaerobio es el más
adecuado, puesto que sus características se traducen en costos menores tanto de instalación como
de operación.
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- La digestión anaeróbica convencional tiene lugar en un reactor de tanque agitado (figura l), sin
embargo para el tratamiento de desechos líquidos, este tipo de reactor es insatisfactorio para altas
velocidades debido al desgaste microbial.
- Filtro anaerobio empacado de flujo ascendente (figura 2): Elimina la necesidad de recircular
lodos, debido a su alta retención de masa activa; tiene una eficiencia de remoción de la
contaminación (DQO) superior al 95%, sólo trata residuales de baja concentración orgánica, tiene
un elevado factor de conversión en el biogas y reduce los tiempos de retención hidráulica.
- Reactor de manto de lodos de flujo ascendente (UASB, figura 3): Tiene las mismas
características que el reactor UPBF, además de que posee facilidad de operación, instalaciones
compactas, es fácil de operar y de menor costo.
- El proceso biológico anaeróbico de lecho fluidizado (FANBIOF) es un sistema muy eficiente para
el tratamiento de efluentes industriales para concentraciones orgánicas altas y moderadas.
En el reactor de lecho fluidizado (figura 4), el soporte retiene la biomasa, debido a que se forma
una biopelicula alrededor de las partículas fluidizadas, se reduce la generación de biomasa, lo que
es particularmente importante para las bacterias metanogénicas, porque la estructura fisica de la
biopelícula provee de un colchón, el cual permite a dichas bacterias hncionar bajo condiciones
severas; utiliza arena y/o carbón activado como soporte.
17
tanque de almacenamiento
‘T I- FIG. l . REACTOR DE TANQUE AGITADO.
efluente tratado
18
Muestras-de gas , Gasómetro
1
~
FIG. 2 REACTOR DE FILTRO UPBF.
almacenimiento
Muestras de gases
Gasómetro
Tanque de almacenamiento
FIG. 3 REACTOR UASB
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biogas
efluente tratado
FIG. 4. REACTOR ANAEROBIC0 DE LECHO F L U I D I Z A D O .
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Se llega a la conclución de trabajar con un reactor de lecho fluidizado mediante los siguientes
criterios:
-Este tipo de reactores utiliza un soporte para los microorganismos aumentando el área de
transferencia por lo que disminuye el tiempo de residencia hidráulico, lo que se traduce en una
considerable disminución del tamaño requerido del reactor.
-Este se considera como un reactor perfectamente agitado, por la recirculación.
- Tiene la ventaja de que hay homogenización de las propiedades del sitema, es decir, en la
temperatura, pH y concentración.
- Las resistencias a la transferencia de masa y de calor disminuyen.
- El problema de arrastre de los microorganismos disminuye porque están biosoportados.
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La digestión anaerobia presenta un comportamiento modelado por la ecuación de Monod y Cohen,
( apéndice E ) esta ecuación fisicamente representa el sustrato que es absorbido y consumido por
los microorganismos para ser convertido en biogas y masa orgánica. Esta ecuación involucra
parámetros tales como: concentración del medio (C*), parkmetros biológicos principalmente
diksividad efectiva, espesor de la biopelícula, las cuales implican la introducción de un factor de
efectividad, que determina las resistencias internas a la transferencia de masa, fracción de espacios
vacíos, densidad empacada, densidad de partícula, etc.
Para el desarrollo general de esta experimentación, se cuenta con dos reactores anaerobios de flujo
ascendente (fig. 4); con una dtura de 1 13cm y un volumen de 3603cm3 y usan arena como soporte,
cada reactor trabaja con diferente tamaño de partícula con el fin de determinar con cual de los dos
se logra una mayor remoción de la carga orgánica, las características se resumen en la tabla IX. l .
Ambos reactores se alimentan con una dilución de leche en polvo en agua en constante agitación
con el fin de hornogeneizarse, simulando los efluentes de LICONSA Tláhuac. El sistema se
mantiene a una temperatura constante de 37'C, mediante un sitema de calentamiento.
Tabla l . Características de los reactores:
CARACTERISTICA REACT0Rp.g. REACT0Rp.p.
Area del soporte (m') I 1 1.2737 I I 12.5889 I I
Altura de lecho fluidizado (m) I 0.408 O. 792
Diámetro de partícula (m) I 0.0274E-2 I 0.046E-2 I Fracc. espacios vacíos I 0.4946 I 1 O. 5446
Vel.min.fluidización(m/h) .
2.48E-5 Espesor de biopelicuia (m)
3.6 2.52
5.39E-5
22
En principio se requiere igualar la concentración del efluente de LICONSA (3kg DQo/m3), para
alcanzar dicha concentración, se aumentó paulatinamente el DQO de alimentación cubriendo un
rango de 1.5 a 3 kg DQO/l, con un tiempo esperado de estabilización de 10 días entre cada
variación.
Simultáneamente se realizaron disminuciones en el tiempo de residencia para estudiar la efectividad
del sistema. El tiempo de residencia considerado se define como el tiempo que el sustrato
permanece en el volumen ocupado por el lecho fluidizado.
Para evaluar el porcentaje de remoción de materia orgánica en el efluente, se realiza la medición de
la demanda química de oxigeno DQO (apéndice D), es decir, la cantidad de sustrato consumido en
relación al sustrato alimentado, esto nos ayuda a calcular el factor de efectividad, que a su vez nos
conduce al calculo de las constantes cinéticas y en fbnción de esta se determinan los valores de los
parámetros biológicos (ver apéndice E).
También se realizó un análisis cromatográfico del biogas obtenido en la digestión; el cromatógrafo
no detectó ácido sulfhidrico, por lo que se considera que sólo tiene:
C& 60% en volumen.
COZ 30% "
N2 10% "
23
En la siguiente tabla se reportan los resultados obtenidos durante la etapa experimental. tabla X. 1
CONCENTRACION DEL
P.P.(cm3/min) P.G(cm3/min). EFLUENTE P.G(mgDQO/lt) EFLUENTE P.P.(mgDQO/lt) INFLUENTE (mgDQO/lt)
PRODUCCION DE BIOGAS CONCENTRACION DEL CONCENTRACION DEL
1560
6.0 7.45 136 116 2866
4.0 6.3 124 76 2000
3.6 5.6 104 52 1920
2.3 1 4.8 40 44
P.P. =reactor de partícula pequeña.
P.G. =reactor de partícula grande.
grafica X. l .
98.0
l.cj 97.5
a, 3 0- a, n si 97.0
*O c o O 5 96.5
a, U
.-
L
S 96.0
6 7 8 9 10 11 12
carga orgánica (kg DQOIm3día)
24
grafica X.2.
d S
o :o o
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
carga orgánica (kg DQOIm3día)
Comparando las gráficas anteriores se ve que para efluentes con mayor carga orgánica, en el de
partícula pequeña se obtiene mayor porcentaje de remoción; además de la tabla X.l. para
concentraciones de DQO altas éste reactor produce mayor cantidad de biogas, por lo que se elige
este tamaño de partícula para diseñar el reactor biológico a nivel industrial (Apendice F).
25
DATOS GENERALES.
Nombre de la empresa: LICONSA.
Nacionalidad: Mexicana.
Actividad: Rehidratación de leche.
Capacidad de producción: 1,400,000 It de leche/día.
Localización: Av. Santa Catarina S.N. Tlahuác.
EFLUENTES MANEJADOS.
Descarga de aguas residuales: 16 It/seg ó 1,382,400 lt/día.
Concentración: 5 kg de DQO/m3 *
26
Diagrama IX: 1. Proceso propuesto para la planta tratadora de los efluentes de LICONSA,
Tláhuac
DESGRASADOR
OMOGENEIZADOR
I
CALDERA 1 T
EXCESO DE LODOS
Los efluentes provenientes de la lechería entrarán a un desgrasador con el fin de remover la grasa,
disminuyendo en un 40% el DQO; después mtra a un tanque homogeneizador donde se estabiliza el pH y
concentración; el efluente pasa por un cambiador de calor donde la temperatura se eleva hasta 37"C,
ensegwdaentra al reactor de lecho fluidizado. Una vez tratada el agua se pasara en la caldera para utilizarse en el cambiador de calor; una parte se ocupará para riego y la otra directamente al drenaje.
El exceso de lodos se utilizará como abono.
27
El biogas producido será comprimido, para utilizarse como combustible en la caldera, y para servicio de
regaderas, entre otros.
28
L 1
L-
P U
"
c
29
h r-700
- La planta operará en continuo.
- El mantenimiento deberá proporcionarse mensualmente.
- Las bombas requerirán de revisiones más periódicas, debido al mayor desgaste al que son
expuestas.
- Se recomienda mantener el efluente a tratar con un pH entre 6.8 y 7.8 (ref. 7).
- El exceso de lodos debe ser removido diariamente de las rejillas.
- La grasa acumulada deberá removerse semanalmente del desgrasador.
PERSONAL REQUERIDO PARA LA OPERACION DE LA PLANTA.
* 1 Ingeniero de proceso.
* 3 Operadores
* 3 Ayudantes.
distribuidos de la siguiente forma:
El Ingeniero de planta cubre un turno al día.
Un operador y un ayudante por cada turno.
RECOMENDACIONES PARA EL APROVECHAMIENTO DE LOS PRODUCTOS DEL
TRATAMIENTO.
- El agua tratada puede emplearse en el riego de las áreas verdes de la planta en general.
- El biogas almacenado servirá para satisfacer el fhncionamiento de la caldera, además podrá usarse
en algunas otras áreas de la planta de producción.
- La biomasa que se retira de las rejillas, se expone al sol para eliminar la humedad. Seca se puede
emplear como abono.
32
COSTO DEL EQUIPO
EQUIPO CANTIDAD
Reactores 4
Tanque 1
homogenizador
desgrasador
Intercambiador de
calor
2
Caldera 1
Compresor 1
Tanque de
almacenamiento
de biogas
2
Bombas 5
Tubería y
accesorios
TOTAL
MATERIAL COSTO TOTAL COSTO UNITARIO (Dolares)
(Dolares) Concreto de alta 22700 5675
resistencia
Concreto de alta 47325 47325
resistencia
Concreto de alta 1218 1219
resistencia
I Cobre 243 69 48738
Acero al carbón 2335 2335
Acero al carbón 82900 82900
Acero al carbón 2069.25 1034.6
Hierro fundido 2770 5 54
PVC y cobre 3 125
213,181.
33
La manipulación de bacterias siempre resulta dificil, debido a que se debe dedicar algún tiempo
para entender su comportamiento y darles así un ambiemte adecuado para lograr una buena
digestión.
Dada la compleja sensibilidad de los reactores frente a los cambios tanto en la concentración de
alimentación como en la temperatura, es muy tardada la estabilización de los mismos, obligando a
mantener constantes !as condiciones de operación y de estabilización por largos periodos.
Una vez estabilizado el proceso, se reduce el riesgo de fallas en el sistema.
Estos problemas solamente se presentan a nivel experimental, pues es cuando se requiere de mayor
presición para determinar los parámetros cinéticos necesarios para el escalamiento de la planta.
A nivel industrial, no se requiere de una rigurosa sensibilidad, pues el sistema queda diseñado para
manejar altas cargas de tratamiento.
El trabajar a 37"C, genera grandes avances para la eficiencia del proceso, pues se encuentra que la
digestión anaerobia es muy rápida, presentando un alto porcentaje de remoción de la carga
orgánica en los efluentes.
Aunque la hnción principal del proceso es la limpieza de los efluentes, no se puede omitir que
resulta aún más provechoso el hncionamiento del mismo, debido a que hay una gran producción
de biogas que ayudará a satisfacer los requerimientos energéticos del proceso en general.
La alta respuesta del proceso, garantiza cumplir ampliamente con los requerimientos establecidos
en las normas ecológicas descritas en el apéndice A.
34
Lunes 28 de junio de 1991.
DIARIO OFICIAL.
Proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-CCA-009-ECOL/93, de aguas residuales a cuerpos
receptores provenientes de la industria elaboradora de leche y sus derivados.
PROYECTO DE NORMA OFICIAL MEXICANA
NOM-PA-CCA-009/93
l . OBJETO.
Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las
descargas de aguas residuales a cuerpos receptores provenientes de la industria elaboradora de
leche y sus derivados.
2.. CAMPO DE APLICAClON
De observancia obligatoria para los responsables de las descargas de aguas residuales a cuerpos
receptores provenientes de la industria elaboradora de leche y sus derivados.
3.REFEmNCIAS.
NMX-AA-3 Aguas Residuales Muestreo.
NMX-AA-5 Aguas- Determinación de grasas y aceites- Método de extracción soxhlet.
NMX-AA-8 Determinación de pH- Método potenciomtitrico.
NMA-AA-28 Aguas- Determinación de demanda bioquímica de oxígeno- método
incubación por diluciones.
NMX-AA-34 Determinación de sólidos en agua- Método gtavimetrico.
NMX-AA-42 Análisis de aguas- Determinacidn del número más probable de coliformes totales y
fecales. Mbtodo de tubos múltiples de fermentacicin.
de
35
4. ESPECIFICACIONES.
Las descargas de aguas residuales provenientes de la industria elaboradora de leche y sus derivados
deben cumplir las especificaciones que se indican en:
TABLA A. l .
I PARAMETROS LIMITES M h I M O S PERMISIBLES PROMEDIO DIARIO INSTANTANEO
PH (UNIDADES DE pH) 6-9 6-9
SOLIDOS SUSPENDIDOS
TOTALES (mg/lt) 100 120
DBO (mg/It) le0 120
GRASAS Y ACEITES (meiIt) 20 30
S.LIMITES " 0 s PERMISIBLES DE COLIFORMES TOTALES.
Los límites máximos permisibles de coliformes totales medidos como número más probable por
cada 100 ml en las descargas de aguas residuales provenientes de la industria elaboradora de leche
y sus derivados, considerando las aguas de servicio son:
- 10 O00 como límite promedio diario y 20 O00 como límite instantáneo cuando se permite el
escurrimiento libre de las aguas residuales de servicios o su descarga a un cuerpo receptor,
mezcladas con las aguas residuales del proceso industrial.
- Sin límite, en el caso de que las aguas residuales de servicio se descarguen separadamente y el
proceso para su depuración prevea su filtración en terreno, de manera que no se cause un efecto
adverso en los cuerpos receptores.
6.CONDICIONES PARTICULARES DE DESCARGA.
En los siguientes parámetros:
Color
Conductividad eléctrica
Fósforo total
Nitrógeno total
Sustancias activas al azul de metileno
36
Temperatura
7.CONCORDANCIA CON NORMAS INTERNACIONALES.
Esta norma oficial mexicana no coincide con ninguna norma internacional.
8.NORMATIVIDAD A LA QUE SUSTITUYE.
Se abroga el acuerdo el acuerdo por el que se expidió la norma técnica ecológica NTE-CCA-
009/88, publicado en el diario oficial de la federación el 4 de agosto de 1988.
9. MUESTREO.
Los valores de los parámetros en las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores
provenientes de las &entes que indican cada una de las normas, se obtendrán del análisis de
muestras compuestas que resulten de la mezcla de las muestras simples, tomadas éstas en
volúmenes proporcionales al caudal, medido en el sitio y momento del muestreo, de acuerdo con:
TABLA A. 2. Horn por día que opera el N h e m de muestras Intendo entre toma de mnestrps shnpku (hr)
proceso generador de descarga minhn0 I U á X h O
hsstp8 4 1 2
mhsde8yhsstp12 4 2 3
m8sde12ybsatal8 6 2 3
más de 18 y b h 2 4 6 3 4
En el caso que durante el periodo de operación del proceso generador de la descarga, ésta no se
presentara en forma continua, el responsable de dicha descarga deberá presentar a consideración de
la autoridad competente, la informacih en la que se describa el régimen de operación de la misma
y el programa de muestreo para la medición de los parámetros contaminantes.
El reporte de los valores de los parámetros de las descargas de aguas residuales obtenidos
mediante los análisis de las muestras compuestas a que se refieren los párrafos anteriores, se
integrará en los términos que establezca la autoridad competente.
37
10. METODOS DE PRUEBA.
Para determinar los valores de los parámetros sefialados en las tablas correspondientes, se deberán
aplicar los mktodos de prueba que se establecen en las normas mexicanas referidas en el punto de
referencias.
1 l. VIGILANCIA.
La secretaria de Agricultura y Recursos Hidráulicos por conducto de la Comisión Nacional del
Agua, es la autoridad competente para vigilar el cumplimiento de la presente norma oficial
mexicana, coordinándose con la Secretaria de Marina cuando las descargas sean al mar y con la
Secretaría de Salud cuando se trate de saneamiento ambiental.
12. SANCIONES.
El incumplimiento de las presentes normas oficiales mexicanas será sancionado conforme a lo
dispuesto por la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Proteccih al Ambiente, la Ley de
Aguas Nacionales y demás ordenamientos jurídicos aplicables.
Los cuales establecen las siguientes sanciones:
dias de salario mínimo CAUSA
50-500 No entregar los datos requeridos por la “comisión” para verificar el
cumplimiento de lo que establece la presente norma.
100- 1 O00 Usar aguas nacionales reciduales fitera de normas mexicanas en
materia de calidad e impedir visitas e inspecciones por la comisión.
500-10000 Descargar en forma permanente, intermitente o fortuita aguas
residuales en contraverción a lo dispuesto en la presente ley
13. VIGENCIA.
Las presentes normas oficiales mexicanas entraron en vigor al día siguiente de su publicación en el
Diario Oficial de la Federacibn del día 18 de octubre de 1993.
38
APROVECHAMIENTO DEL BIOGAS
CARACTENSTICAS DEL BIOGAS
Considerando que el estiércol de bovino produce 300 It de gas por Kg. de estiércol seco, en un
digestor y que contenga 7% de sólidos y a un régimen de carga de 35 días, se calcula el volumen
del digestor y sus accesorios. De lo anterior se deduce que el volumen de gas producido por día.
Para llevarse a cabo dicho proceso no depende de la insolación ni de los vientos, lo cual es una
ventaja importante, ya que al contar con este módulo se reducirán los requerimientos de energía
los m6dulos solares y eolíticos, y se daría confiabilidad al sistema integrado.
La caracterización del biogas se ha realizado en el laboratorio JE haciendo uso de las técnicas de
gasometría (Orsat) para conocer sus proporciones de metano, bióxido de carbono, nitrbgeno,
hidrógeno y ácido sulfhídrico. De sus principales componentes, metano, bióxido de carbono,
puede deducirse su poder calorífico tomando en cuenta que su composición incluye de 60 a 70%
de metano (CH, ) y 30 a 40% de bióxido de carbono (COZ), el cual será del orden de 5780 a
6230 kcaUm3.
TABLA B. 1 Composición del biogas 1 metano 60-70% I
bióxido de cartnmo 3 0 4 %
hidrógeno 5-10?!
nitrógeno
áido sullhídricn trazas
El poder calorífico del biogas en estas condiciones lo convierte en un combustible apreciable,
tanto en el ámbito doméstico, alumbrado y cocción de alimentos, como en la industria, en la
39
producción de energías caloríficas, mecánicas o eléctrica al ser usado en calderas o en motores
de combustión interna.
TABLA B.2 Poder calorífico de diferentes combustibles y su equivalente referido al biogas cembustible P.C. [kmvms] P.C. picrVKg.1 Eq*&nte a 1000m’ de bibgas
Bibgas 5355 1 000 m3
Gas Natnral 9185 581 m3
Metano 8846 603 m3
Propano 22042 242 m’
Butano 28588 187 m’ Electricidad 860 kcatlovh 6203 m3
Carb6n 6870 776 Kg. Petr6leo 11357 470 Kg. Fuel On 10138 526 Kg.
El biogas es incoloro, inodoro e insípido por 10 que es dificil detectarlo, pero por tener una
densidad menor que la del aire su peligrosidad asfixiante y explosiva disminuye al construir
locales altos y con ventilación.
La temperatura crítica del metano es de -82OC (-1 16.5”F) y una presión crítica de 45.8 Kg./cm2
(673 psi), características que obligan a utilizar el gas en su estado natural, ya que el equipo para
licuarlo consume demasiada energía y lo hace incosteable en unidades de poca producción.
A continuación analizaremos la mejor forma de utilización del gas, ya sea como energía calorífka,
mecánica o eléctrica.
Haciendo una evaluación entre el transporte de gas y el transporte de energía eléctrica, tomando en
cuenta la versatilidad del tipo de energía en cada caso.
De la forma en que se decida utilizar la energía obtenida, dependerán las condiciones de
purificación, compresión y almacenaje del gas, que como hemos visto contiene una tercera parte de
bióxido de carbono, trazas de ácido sullhidrico y humedad que acarrea el digestor.
Con respecto al COZ, es necesario tratar el gas con soiuciones de sosa o de cal para eliminarlo o
reducirlo. Con ello se puede asegurar el incremento de su poder calorífico, pero la economía del
40
sistema se afecta considerablemente, además de complicarlo. Un análisis costo-beneficio de la
ganancia de poder calorífico contra consumos de reactivos, de agua y de energía llevarán sin duda
a concluir que es mas ventajoso utilizar el gas con COZ
En cuanto al ácido sulfidrico, la situación cambia, basta con pzlsar el gas a través de filtros que
contengan limadura de hierro para eliminarlo, haciendo un recambio de filtros para lavar la
limadura usada, se puede tener en forma continua gas purificado, evitando la corrosión en
contenedores, motores, quemadores etc. La humedad puede ser reducida si se pasa el biogas a
través de cámaras de expansión ligeramente enfriadas para captar el vapor de agua que se condense
y eliminarlo en trampas de líquidos.
Las presiones a las cuales con regularidad se comprime el biogas son de 7- 10 Kg./cm2 en
instalaciones pequeñas, de 28-35 Kg./cm2 en instalaciones de tratamientos de aguas negras de
tamaño regular y de 135-200 Kg./cm2 en grandes instalaciones.
CARACTERIZACION DEL BIOGAS
La cromatografía de gases es un método por el cual una mezcla de gases se separa en sus
componentes y entonces cada uno es identificado y medido cuantitativamente. La separación se
obtiene pasando la mezcla a través de una columna que contiene un material sólido o líquido,
revestido de una superficie sólida (inerte) con una área suficiente para la adsorción. El sólido
absorbente o el líquido solvente se considera como fase estacionaria. La muestra se transporta a
través de la columna por medio de un gas acmeador (fase móvil). La fase estacionaria retrasa la
velocidad de los componentes causando que se muevan a diferentes velocidades. Los
componentes tienden a segregarse en zonas separadas, los cuales son detectados y medidos
cuantitativamente por una celda de conductividad térmica.
La cromatografía de gases es importante por su rutina de análisis para determinar las
proporciones relativas de “aire” ( N 2 y 09, COZ y C&.
VENTAJAS AL COMPRIMIR EL BIOGAS
- Se facilita su transporte a través de tubería a los diferentes tipos de servicio.
- Su volumen se reduce considerablemente y es posible abastecer cilindros para usar el biogas en
vehículos con motor de combustión interna de 4 tiempos.
41
- Se reduce el volumen del contenedor primario del digestor.
- El gas puede ser usado en motores diesel o gasolina estacionarios, disefiados o adaptados para
gas.
- La homogeneidad del gas aumenta por tener volhmenes considerables almacenados en el mismo
punto.
DESVENTAJAS AL, COMPRIMIR EL BIOGAS
- Casi el 25% de la energía procedente del digestor necesita ser utilizada para comprimir el gas. A
su vez la eficiencia de compresión es 25%.
- Se estaría comprimiendo 1/3 de gas que no es combustible.
- Las posibilidades de f3ga aumentan.
- Hay problemas de especialización de personal.
Al decidir el sistema de lavado compresión y almacenaje del biogas y conocer además el volumen
producido por día, se puede decidir la energía en la que se va a transformar el gas.
Estas opciones serían básicamente:
- Tener toda la energía disponible como electricidad.
- Tener un sistema combinado como energía calorífica y energía eléctrica.
- Tener toda la energía directamente como energía calorífica.
42
SEGURIDAD
El biogas puede causar explosiones provocadas por metano, su componente principal, el cual tiene
los siguientes niveles de explosión (proporción en volumen con aire).
Nivel bajo de explosión 5.4%
Nivel alto de explosión 13.9%
Tomando en cuenta que la composición el biogas, el metano figura entre 60 y 70% los niveles de
explosión se corren a:
Nivel bajo de explosión 9.0%
Nivel alto de explosión 23 .O%
En estas condiciones el biogas, necesita una temperatura entre 650 y 750 'C para deflagrat'*' o
explotar, la cual puede ser alcanzada al encender un fósforo o al producir chispas por choques
metálicos.
La densidad y su composición son también factores importantes en la seguridad, pues tomando en
cuenta que la densidad del aire es de 1.293 g/l y la del bióxido de carbono 1.9Sg/l y considerando
una composicih entre 30 y 40% de CO2, la densidad del biogás
llega a 1.09 g/l lo que lo hace mas ligero que le aire y puede diluirse fácilmente, perdiendo su
peligrosidad. Si la porción de COZ rebasa 45.7%, el biogas se vuelve más
denso que el aire, subiendo su límite de peligrosidad por varios factores:
El biogas puede ser asfixiante cuando hace que el oxígeno baje a 17.3%, y si llega a !3% es
positivamente sofocante.
Si en la composición del biogas se tiene CO en proporción de O. 1% es fatal en 4 horas y si la
proporción de H2S es de 0.6% es fatal en menos de 0.5 horas.
( I ) arder súbitamente con llama y sin explosión
43
Por todas estas razones hay que tener precauciones similares a las que se tienen con el gas
doméstico.
- Al llenar tanques de biogas, estos deben estar libres de oxígeno al igual que las líneas de
transporte de gas.
- Se deben realizar pruebas de fbga con agua jabonosa.
- Cuidar que no haya flamas, brasas, cigarrillos encendidos o calzado con clavos capaces de
producir chispas en las áreas de compresi6n y carga.
- Los locales donde se maneje el hiogas deben ser de preferencia altos y ventilados.
- Los extinguidores deben ser COZ y polvo ABC.
44
TECNICA PARA LA DETERMINACION DEL DQO.
El DQO (Demanda Química de Oxígeno) determina la cantidad de materia químicamente oxidable,
lo que se traduce en el grado de contaminación del agua.
Para oxidar la materia orgánica en la muestra se utiliza un horno de microondas, las soluciones a
utilizar son:
1 .- Ácido sulfiirico en sulfato de plata
2.- Sulfato ferroso amoniacal, 0.025 N
3.- Dicromato de potasio, 0.25 N
4.- Sulfato de mercurio
El procedimiento para la determianción del DQO se describe a continuación:
Se toman dos muestras de 5 ml cada una, de las aguas, una a la entrada y otra a la salida del
reactor, una tercera muestra se toma de agua desionizada. A las muestras se les coloca en vasos de
teflón por separado y se procede a agregar O. 1 gr de sulfato de mercurio, O. 5 ml de la solución 1 ,
2.5 ml de la solución 3 y nuevamente 7 ml de la solución l . Cerrar los vasos y calentarlos en el
horno de microondas a 45% de la potencia durante 10 min. Después del calentamiento se entiian
en un baño de agua hasta temperatura ambiente. Se doran a 35 ml y a cada uno se agregan 2
gotas de ferroína como indicador y se titulan con la solución 2; el cambio de color esperado es de
verde a rojo.
Finalmente el DQO se calcula como: *
DQO[mg/l]=((a-b)*N*8000*F}/rql de muestra
a: ml de titulante usados para el agua desionizada
b: ml de titulante usados para la muestra
45
N: es la normalidad de la solución titulante
F: es el factor de dilución
46
Determinación de la Cinética.
Los experimentos efectuados durante el pasado año en planta piloto con reactores de lecho
fluidizado para la determinación de la cinética experimental dieron como resultado:
tabla E. l .
Concentración de
salida, dm3 entrada, dm3
Concentración de
I 1560 I 44
I I 1920 52 I
2000 76
Estas concentraciones se obtuvieron con el reactor de partícula pequeña (dp = 0.0274 cm), y
son las que se usarán en el diseño debido a que se desempeñaron mejor.
La velocidad de reacción nos relaciona la cantidad de materia organica que es transformada
por una unidad de kea de microorganismos (o superficie de biopelícula) y por una unidad de
tiempo. O sea:
donde:
N es la velocidad de reacción.
47
Experimentalmente la N se determina con una simple relación:
donde:
Ce es la concentración de entrada, dm3 C es la comentración de salida, dm3 Q es el flujo volumétrico, m 3 h
A es el área total de la biopelícula, m2. Que se supone no es fbnción de la Ce.
Aplicando a los valores obtenidos en planta piloto, con Q=1.6e-2 m 3 h y una área de
biopelícula de 1 3.3 m2, N e s :
tabla E.2.
I Ce N C 1 1560
2.724 76 2000
2.645 52 1920
2.147 44
La ecuación para creCimiento microbian0 propuesta por Monod, se ajusta para este ipo de
proceso y esth definida por la relación:
k,LC k,LA C N = A - Q N=-- 1 + k3C ' 1
k3 "+c k3
donde:
h es el factor de efectividad, que corrige por efectos de la resistencia interna a la
transferencia de masa, adimensional
L es el espesor de la biopelícula, m
kl,k3 son parámetros cinéticos por determinar.
Para determinar los parámetros cinéticos, la ecuación de Monod se linealiza de la siguinte
forma:
48
1 1 1 k, - -” +- N - k,LA C k,LA ’
La grafica se muestra a continuación:
grafica E. l .
Determinaci6n de los pardmetros cineticos
2 m r 2 0 . 4 ~ ~ -
? m .3 0.48 -
0.44 - y=O.23156+9.36833 X
0.42 - \ 0.40 - 0.38 - m
m b.36 -
I I I I I 1 0.012 0.014 0.016 o . o I a 0.020 0.022 0.024
0
l I C , m3fg
Entonces con el valor de la pendiente y de la ordenada al origen se obtienen los valores
para:
1 hr - = 9.36633- 6 k,LA = 0.10677- m
k, LA m hr
Y
y k3 =O. 0247m3/g.
49
UAM I TAPALAPA C. B. I. LICENCIATURA EN INGENIERIA QUIMICA TRATAMI€NTO DE LOS €FLUENTE5 DE LlCONSA UBICACION: AV. STA. CATARlfJA 5/r4 TLAHUAC
I PLANO 2
-En las condiciones de trabajo se encontró que la potencia no depende del número de Reynolds Y
viscosidad, y entonces la potencia está dada por:
P=Kt*n3*Da5p/gc (2)
se hicieron varias pruebas para distintos tipos de rodete y se escogio el siguiente:
tipo de rodete Kt p (hP)
turbina cerrada 6 palas planas 1.65 5.2
girando a 90rpm
DdDt= 1 /3
Dt=O .9m
n= 1 .5=90/60
p= 1 170 kg/m3.
longitud= 2.70 m
lado= 2.7 m
alto= 3.48 m
V=25m3
F.111. Intercambiadores de calor.
En el diseño se tomaron en cuenta las siguientes condiciones:
-Se estimaron las perdidas de calor , las cuales heron mínimas dado el material de construcción de
los reactores .
qr=2nLk/ln(rdri)(Ti-T,) (3)
-Las perdidas de calor en la tubería se consideran mínimas ya que se recubren con aislante.
-Se hace un balance de energía para saber cuanto calor se debe suministrar al influente.
Q=mCpAT (4)
se calcula el flujo del líquido necesario, se propone un valor típico de UD para el sistema agua-
agua.
-Se calcula el área de transferencia requerida y el número de tubos necesarios.
A=Q/UDAt (5)
Nt=La9’ (6)
51
-Se propone un número de paso en los tubos.
-Se corrige UD.
-Se calculan los coeficientes de transferencia de calor del lado de los tubos y coraza.
-Se estiman las caídas de presión en la coraza y tubos; si estas concuerdan con las establecidas para
el tipo de intercambiadores elegido se procede a calcular el factor de obstrucción
%=uCuD/UC+uD (7)
-Si & coincide con el especificado para el sistema en cuestión y se cumple todo lo anterior, el
diseño del intercambiador es satisfactorio para las necesidades del proceso.
las dimensiones obtenidas son:
longitud de tubos=4.8768m (16R) y .0254m de D.E. (lin) BWG=14
D.I. coraza=0.635m (25in)
Rd=0.0012
Uc=10220.66 KJh m2"C
U~=6357.25 KJ/m2"C
APambos lados=0.592 atm
APt=0.377 atm
APc=O. 18 1 atm
4 pasos en los tubos, 2 pasos en la coraza
F.IV. Sistema de bombeo.
Para el diseño del sistema de bombeo se considero la mejor distribución de todos los equipos de
proceso de manera que los requerimientos de potencia de las bombas sea minimo.
Los requerimientos de potencia de las bombas heron determinados efectuando los respectivos
balances de Bernoulli (ec. 8) para el caso de las bombas de fluidización se tomo en cuenta la
presión que ejerce el biosoporte, el agua y la biopelicula dentro de cada reactor:
AJZ+A(PV)+ A(u~/~~c*cx)+AZ*~~~C=Q-CF-~W~ (8)
52
F.V. Reactor.
La ecuación para el diseño de un reactor de fbjo pistón con recirculación y cinética de
Monod, según la referencia es:
R
Para una ecuación de cindtica:
donde:
k es la constante cinética, l/hr
Cc es la concentración de células dentro del reactor, dm3 CM es la concentración del sustrato a la mitad del crecimiento máximo de cdlulas,
dm3 y N’ tiene unidades de gramo por unidad de volumen de reactor y por unidad de
tiempo: g/(m3hr).
Para poder aplicar la ecuación de diseño es necesario modificar a N, se multiplicar por un
factor que corrige de unidad de kea de biopelícula a unidad de volumen del reactor,
experimentalmente se encontró que una área de 1 1.3 m’ ocupa un volumen en el reactor, a
una velocidad de fluidización de 1.2 la mínima, de 9.7e-4 m3, entonces el factor queda
como:
1 1.3m2biofilm , y por consiguiente:
53
N’= 1 1 650m2/m3 *N, donde:
m2 g c g c m3 g
m m
N’ = 11650- * 4.3 185- = 5.03 le4 - (1 1) m2hr 40.86, ¿? + C 40.86--, + C ’
lo que nos lleva a que:
kCc=5 .O3 1 e4 g/m3hr y
C ~ 4 0 . 8 6 dm3 El valor que es necesario conocer en la ecuación de diseño es k por lo que hay que
encontrar el valor de CC, procediendo así:
el volumen de microorganismos dentro del reactor es de 2.8e’4 m3, multiplicando por su
densidad, que es 1’045,000 dm3, obtenemos la cantidad de masa en el lecho fluidizado: 293
g, que dividimos entre el volumen del lecho fluidizado para encontrar la concentración de
células:
cC=293g/9. 7e-4m3=3. o2ddm3.
Entonces k=O .1666 hx”’.
La ecuación de diseño es ahora aplicable, todas las constantes se han determinado, las
varaibles de disefío son:
Ce= 3000 dm3
C=200 dm3 faltando sólo la razón de reflujo, R.
Razón de reflujo:
CM C e + R C R + l R + l CM 1 -In Ce RC
+In- = - R
+- R Ce+RC R
ecuación que se puede igualar a cero y graficar:
54
Determinación de la razdn óptima de recirculación en el reactor
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
- *
-
-
-
- recirculación óptimo
- i 1 I I I
O 5 10 15 20 razón de recirculación, R
En un acercamiento, entre 14 y 15 veces en el reflujo, se alcanza un valor de le-5, que lo
tomo como cero.
55
Con la ecuación de diseño se obtiene la siguiente gráfica, que muestra el volumen del reactor
contra la razón de recirculación:
volumen -vs recirculación
520
500 -
480 -
460 -
440 -
420 -
400 I I I I I I
O 5 10 15 20 25 30
razón de redrculaeión, R
De la cual se puede leer o determinar una R y su correspondiente valor de volumen de
reactor.
56
......................................... .........................................
lata f l l e created by ASPEN PLUS Rel. 9.1-3 on 09:35:55 Tue May 28, 1996 7un ID: LUKE Item: 81 Screen: Compr .Balance r-----------c-----------c----------c----------c----------c----------c-----------
Oescr~pt ]on: Un 1 ts:
Materlal and energy balance closure around the block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
In out Generate Re1 D ~ f f Convent~onal Components
Mole-Flow. 15.00495 LB15.00495 0.0 0 . 0 Mass-Flow 384.5761 LB384.5761 0 . 0
Nonconventlonal Components Mass-Flow
Total Mole-Flow 15.00495 LB15.00495 0.0 0.0 Mass-Flow 384.5761 L6384.5761 0 . 0 Enthalpy -1.0472Et6 BT-9.7414E+5 - ,0697864
"""""""""""""""""""""""~""""""""""""""""- _""""""""""~""""""""""""""""""""""~""""""- (cl 1994 Aspen Technology, Inc
"""""""""""""""""""""""""""""""""""========= ...................................
ata f l l e created by ASPEN PLUS Rel. 9.1-3 on 09:36:05 Tue May 28, 1996 un ID: LUKE Item: 6-1 Screen: Compr.Results """""-c"""""-c"""""c"""""c"""""c"""""c"""""- Descrlptlon: Un 1 ts:
Slzlng and Costlng Results . . . . . . . . .
Calculated Number of Compressors CompFessor Type Indlcated Horsepower Materlal of Construct~on Factor Volumetrlc Flow Per Compressor Scaled Total Volumetrlc Flow Pressure Rlse Heat Capaclty Ratlo Compressor Efflclency Power Requlred Per Compressor
Carbon Steel Cost $ Purchased Cost $
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
29.16671 HP 1.000000
91.27650 P S I l. 400000 .7200000 27.35800 KW
82900 82900
_"~""""""""""""~""""""""""~"""""""""""~ ( c ) 1994 Aspen Technology. Inc.
5 8
......................................... ........................................
ata f l l e c rea t ed by ASPEN PLUS Rel. 9 .1 -3 o n 09:35:31 Tue May 28, 1996 u n IO: LUKE Item: COMPR Screen: Cornpr .Results """""-c"""""-c"""""c"""""c"""""c~""""-c"~"""" Descrlptlon: Un 1 ts:
C u r r e n c y = $
Block ID Type HP Vol-Flow Cost HP CUFT/HR
B- 1 CENTRIFUG 29.16671 7752.84 1 82900 ........................................ ........................................
c ) 1994 Aspen Technology, I n c .
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