CURSO PRACTICO SOBRELAGUNAS DE ESTABILIZACION:

TEORIA, PRACTICA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

ORGANIZADO POR:ASOCIACION ECUATORIANA DE INGENIERIA

SANITARIA Y AMBIENTAL, AEISA Y LAUNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE

GUAYAQUIL

12 al 24 de Mayo 2003Guayaquil, Ecuador

Dimensionamiento y Evaluación deSistemas de Aeración Mecánica para

Cuerpos de Agua

Dr. Fabián Yánez CossíoConsultor

Contenido de la Presentación• INTRODUCCIÓN• DETERMINACION DE LOS REQUISITOS DE OXIGENO

Cuerpo de agua en equilibrio estableCuerpo de agua en equilibrio inestable

• ASPECTOS TEORICOS SOBRE TRANSFERENCIA DE O2Teoría sobre la transferencia de oxígenoLimitaciones físicas en transferencia de oxígeno

• DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE UN AERADORMECÁNICODeterminación experimental de la constante de transferencia deoxígenoRendimiento de un aerador con agua pura Rendimiento de un aerador con agua residual Evaluación de campo del rendimiento de un sistema de aeración

• CONCLUSIONES

Introducción• Creciente uso de sistemas de aeración mecánica:

Cuenca, Portoviejo, Guayaquil, piscicultura, industria,etc.

• Proyectista: determina requisitos de O2, dimensionalos aeradores y escribe las especificaciones técnicas

• Constructor: adquiere e instala los aeradores, recibepruebas de rendimiento, normalmente informesnotarizados

• Muchos informes que adjuntan datos crudos depruebas de rendimiento presentan incongruencias:saturación de OD, calibración de sensores y densidadde energía fuera de límites de aceptación, errores enprocesamiento de datos y cálculo de rendimientos

• Este trabajo trata de aclarar dichos aspectos

Requisitos de Oxígeno

Oxígeno AlimentoDBO

REQUISITOS DE OXIGENOSISTEMA EN EQUILIBRIO ESTABLE

• OXIGENO PARA SINTESIS CELULAR– Requiere de medición de la DBO removida

(alimento): diferencia entre la DBO total de entraday la DBO soluble de salida

• O2 PARA RESPIRACION ENDÓGENA– Requiere estimar la masa de sólidos volátiles

activos bajo aeración– Coeficiente de respiración endógena– Pruebas de consumo de oxígeno

• O2 PARA NITRIFICACIÓN– 4.57 VECES EL NKT

O2 PARA SISTEMA EN EQUILIBRIO INESTABLEAeración de Cuerpos de Agua Anaeróbicos (1)

• Es una medida de remediación temporal• Se mantiene mientras se producen cambios

hasta recuperar las condiciones aeróbicasnaturales, generalmente para preservar usos de:(1) recreación y estética, y (2) preservación dela vida acuática

• Aeración se suspende cuando la producción deO2 es mantenida por fitoplankton

• El nivel de NH3-N debe estar debajo del límitede toxicidad (29 mg/l)

O2 PARA SISTEMA EN EQUILIBRIO INESTABLEAeración de Cuerpos de Agua Anaeróbicos (2)

• PRUEBAS Y ACCIONES REQUERIDAS:– Demanda bental: (1) superficial para ausencia de mezcla, y (2)

asimilación de O2 en estado inestable para varias condicionesde mezcla, densidad de biomasa, y nivel de nitrificación

– Consumo del consumo de alimento (DBO soluble) y cambios enla biomasa

– Constante cinética de reacción– Modelación del cuerpo represado en estado inestable– Determinación del período mas adecuado de aeración,

renovación de agua y remoción de lodo digerido– Mortalidad de bacterias– Estimación de cargas no puntuales por escorrentía pluvial:

funciones de carga

ASPECTOS TEORICOSTeoría sobre Transferencia de Oxígeno

• Teoría de las dos películas:N = dD/dt = Kla . DNct = Klat (Csc – Cl)N20 = Kla20 (Cs – 0) = Kla20 x 9.02/1000

Nct = Masa de O2 transferido en condiciones de campo, Kg O2/hrN20 = Masa de O2 tranbsferido en condiciones estándar (nivel del

mar, 20 grados centígrados y cero % saturación, Kg/hrKlat = coef. de transferencia de O2 en condiciones de campo, 1/hrKla20 = coef. De transferencia de O2 en condiciones estándar, 1/hrCsc = saturación de O2 en condiciones de campo, mg/lCs = saturación de O2 en condiciones estándar = 9.02 mg/lCl = concentración de O2 en el agua, mg/lV = volumen del cuerpo de agua bajo aeración, m3

ASPECTOS TEORICOSLimitaciones Físicas en Transferencia de Oxígeno

• Ley de Henry: Csc = Cs (Pa – p) / (760 – p)Pa = presión atmosférica, mm Hgp = presión de vapor, mm Hg

• Saturación de O2 en función de la temperatura (ASCE)Cs = 14.652 – 0.41022 T + 0.0079910 T2 – 0.000077774 T3

• Presión de vapor en función de la temperaturaP = exp(1.52673 + 0.07174 T – 0.000246 T2)

• Presión atmosférica en función de la elevación (EL)Pa = 760 exp(-EL/8005)

SATURACION DE OXIGENO EN EL AGUA A NIVEL DEL MAR

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Temperatura, °C

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Co

nc

en

tr

ac

ió

n,

mg

/l

PRESION DE VAPOR DEL AGUAEN FUNCION DE LA TEPMPERATURA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Temperatura, °C

05

1015202530354045505560

Pre

sió

n

de

V

ap

or ,

m

m

de

H

g.

PRESION ATMOSFERICA EN FUNCIONDE LA ELEVACION

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Elevación sobre el nivel del mar, miles de metros

450

500

550

600

650

700

750

800

Presión Atmosférica,

mm de

Hg.

SATURACION DE OXIGENO EN FUNCIONDE LA ELEVACION Y TEMPERATURA

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Elevación sobre el nivel del mar, miles de metros

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Sa

tu

ra

ci

ón

d

e

ox

íg

en

o,

m

g/

l

0 °C 4 °C 8 °C 12 °C 16 °C 20 °C 24 °C 28 °C

RENDIMIENTO DE UN AERADOR MECÁNICODeterminación Experimental de Kla

• De integración de la ecuación de transferencia deoxígeno, entre límites se obtiene:

Klat = (1/t) ln (D2/D1)

• Conviene conocer el orden de magnitud de Kla20:Kla20 = N20 x DE/9.02 DE = watt/m3

• Para planificación de la prueba puede aproximarsepara un déficir D2 = 0.1 mg/l y la siguiente relación:

t = 4.502/Kla20 t = horas

• En la práctica se quieren:– Tiempos de duración entre 30 y 90 minutos– Para densidades de energía entre 10 y 100 watt/m3

Figura No. 1

Magnitud de Kla20 en Función del Rendimiento y Densidad

1 10 100 1000

Densidad de Energía, W/m3

0.01

0.1

1

10

100

1000

Va

lo

r

de

l

Kl

a2

0/

hr

0.5Kg/KWH 3 Kg/KWH

Figura No. 2

Duración de la Prueba de Kla en Condiciones Estándar

10 100

Densidad de Energía, W/m3

0.1

1

10

Du

ra

ci

ón

de

la

Pr

ue

ba

,

ho

ra

s

Rendimiento Estándar Kg/KWH0.5 1 1.5 2 2.5

DATOS NECESARIOS EN PRUEBA DERENDIMIENTO DE UN AERADOR

• Saturación de O2 en agua pura en laboratorio• Registro temperatura y presión atmosférica• Calibración de sensores de oxígeno disuelto• Registro de volumen, HP nominal y medido a

nivel del eje (amperaje, voltaje y cos φφ)• Adición de sulfito de sodio y cloruro de cobalto• Inicio de la aeración y registro de datos de

temperatura y oxígeno disuelto• Mediciones de OD deben ser superficiales

Figura No. 3

REQUISITOS DE SULFITO DE SODIO PARA DETERMINACIONDE LA CONSTANTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO Kla

0 100 200 300 400 500

Volúmen del Estanque, m3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Kg

d

e

Na

2

SO

3

pu

ro

0 MSNM 1000 MSNM 2000 MSNM 3000 MSNM

Figura No. 4

REQUISITOS DE CLORURO DE COBALTO PARA DETERMINACIONDE LA CONSTANTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO Kla

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Volumen del estanque, m3

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Gr

am

os

de

Cl

2

Co

DETERMINACION DE Kla PARA UN AERADORCON AGUA PURA: PRIMERA FORMA

• Procesamiento simple de datos de déficit vs. Tiempo Minutos C, mg/l Déficit, mg/l

0 0 10.6 Datos de la prueba de6 2.2 8.4 rendimiento de Eckenfelder12 3.4 7.2 y Ford 197018 4.4 6.224 5.3 5.330 6.0 4.636 6.6 4.042 7.2 3.448 7.7 2.954 8.1 2.560 8.4 2.2

Ecuación de ajuste determinada: D = 9.9936 exp( -1.538 x t)Coeficiente de determinación R2 = 0.9978; Klat = 1.538

Figura No. 5

Prueba de Transfrencia de OxígenoFord & Eckenfelder 1970

,

,

, , , , , , , , ,

0 10 20 30 40 50 60

Minutos

1

10

100

Dé

fi

ci

t

de

O

D,

m

g/

l

Cs=10.6 Kla=1.53/hr, DATOS NO MEDIDOSTemperatura, ElevaciónPresión atmosféricaVolumen del tanqueHP nominal y medido

DETERMINACION DE Kla PARA UN AERADOR CONAGUA PURA: SEGUNDA FORMA

• Procesamiento de datos discretizadosEcuación de ajuste usada: dC/dt ≈≈ ∆∆C/∆∆t = (Klat . Csc) – Klat . Cl

Datos de Metcalf & Eddy, 1991t, min C,mg/l dC,mg/l dt, hr dC/dt D D

0 0 10.06

10.71 1.50 1.50 0.179 8.4 8.56

20.31 2.70 1.20 0.160 7.5 7.36

33.90 3.90 1.20 0.226 5.3 6.16

44.92 4.80 0.90 0.184 4.9 5.26

62.06 6.00 1.20 0.286 4.2 4.06

83.49 7.00 1.00 0.357 2.8 3.06 Csc = 10.06 mg/l 119.49 8.20 1.20 0.600 2.0 1.86 Klat = 0.9656/hr

Ecuación de ajuste: dC/dt = 9.718 – 0.9656 Cl

Figura No. 6Prueba de Transfrencia de Oxígeno, Metcalf & Eddy 1991

,

,

,

,,

,

,

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C, mg/l

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

dc

/d

t,

m

g/

l/

hr

dC/dt Klat=0.9656/hr,

dc/dt = (Kla . Cs) - Kla . Cl Para Cl=0: dc/ct = 9.718Para dc/dt = 0: Cl = 10.06

RENDIMIENTO DE UN AERAQDOR CON AGUA PURACASO PRACTICO No. 1: LIBRO WPC FORD 1071

Temperatura del agua, (°C) : 28Volumen del tanque de aeración, (gal) : 100000Elevación del sitio, (msnm) : 200Presión barométrica, (mm Hg) : 685.8Potencia del motor, (HP nameplate) : 5Datos eléctricos de la línea), : 215 vols.,12 amps.Cos P.F. : .85Eficiencia del motor, (decimal) : .88Eficiencia del reductor, (decimal) : .9Densidad de energía de prueba, (W/m3) : 9.850CALCULOS Y RESULTADOS DE LA PRUEBASaturación a nivel del mar, (mg/l) : 7.72Presión de vapor, (mm Hg) : 28.292Presión atmosférica de campo, (mm Hg) : 685.8Saturación a nivel de campo, (mg/l) : 6.94Saturación de campo adoptada, (mg/l) : 9.20

Figura No. 7

Prueba de Transfrencia de Oxígeno, Caso 1

)

)

))

))

,

,

,

,

,

0 10 20 30 40 50 60

Minutos

0.1

1

10

Dé

fi

ci

t

de

OD

,

mg

/l

Cs=6.94 Ajuste Cs=9.20 Ajuste, )

Cs = 9.20; Klat = 1.627 (1/hr)N20 = 2.51 lb O2/HPhCs = 6.94; Klat = 3.29 (1/hr)N20 = 5.07 lb O2/HphT = 28 °C; Dens = 9.8 W/m3

RENDIMIENTO DE UN AERAQDOR CON AGUA PURACASO PRACTICO No. 2

Temperatura del agua, (°C) : 15.8Volumen del tanque de aeración, (gal) : 2068Elevación del sitio, (msnm) : 350Presión barométrica, (mm Hg) : 762Potencia del motor, (HP nameplate) : 4Datos eléctricos de la línea : 238 volts; 12 ampsCos P.F. : .85Eficiencia del motor, (decimal) : .9Eficiencia del reductor, (decimal) : 1Densidad de energía de prueba, (W/m3) : 381.07CALCULOS Y RESULTADOS DE LA PRUEBASaturación a nivel del mar, (mg/l) : 9.85Presión de vapor, (mm Hg) : 13.447Presión atmosférica de campo, (mm Hg) : 762Saturación a nivel de campo, (mg/l) : 9.88Saturación de campo adoptada, (mg/l) : 9.40

Figura No. 8

Prueba de Transfrencia de Oxígeno, Caso 2Alta Densidad de Energía

,

,

, , , , , , , , , ,, ,

, ,,

, ,,

,

,,

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Minutos

0.1

1

10

Dé

fi

ci

t

de

OD

,

mg

/l

28 °C Best Fit,

Klat = 1.628 (1/hr) 381 W/m3

RENDIMIENTO DE UN AERAQDOR CON AGUA PURACASO PRACTICO No. 3

Temperatura del agua, (°C) : 4Volumen del tanque de aeración, (gal) : 2068Elevación del sitio, (msnm) : 350Presión barométrica, (mm Hg) : 726.4Potencia del motor, (HP nameplate) : 5Datos eléctricos de la línea : 235 volts; 12 ampsCos P.F. : .85Eficiencia del motor, (decimal) : .9Eficiencia del reductor, (decimal) : 1Densidad de energía de prueba, (W/m3) : 476.34CALCULOS Y RESULTADOS DE LA PRUEBASaturación a nivel del mar, (mg/l) : 8.33Presión de vapor, (mm Hg) : 22.349Presión atmosférica de campo, (mm Hg) : 726.4Saturación a nivel de campo, (mg/l) : 7.95Saturación de campo adoptada, (mg/l) : 9.2

Figura No. 9

Prueba de Transfrencia de Oxígeno, Caso 3Alta Densidad de Energía

,

,

,,

,,

,,

,,

,

,

,

,

, ,,

,,

, ,,

, , ,

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Minutos

0.1

1

10

Dé

fi

ci

t

de

OD

,

mg

/l

Csc=9.2 Ajuste Csc=7.95 Ajuste, ,

Cs = 9.20; Klat = 42.38 (1/hr)N20 = 1.20 lb O2/HPhCs = 7.95; Klat = 92.3 (1/hr)N20 = 2.61 lb O2/HphT = 24 °C; Dens = 476 W/m3

RENDIMIENTO DE CAMPO DE UN AERADOREcuación: N = dC/dt = kla(Csc – Cl) – Rr = (Kla . Csc – Rr) – Kla . Cl

Temperatura = 16 °C Elevación = 100 msnmVolumen = 60,000 m3 Presión atmosférica = 751 mm HgPotencia instalada = 6 x 40 = 240 HP Potencia medida = 6 x 42.23 = 253.4 HPVoltaje de la línea = 460 Amperaje de la línea = 50Eficiencia del motor= 0.93 Densidad de energía = 2.97 W/m3Cos φφ = 0.85 OD Sat. a nivel de campo = 9.69 mg/lFactor alfa = 0.96 Factor beta = 0.95

t, min C,mg/l dC,mg/l dt, hr dc / dt D D 0 0 9.69

10 1.30 1.30 0.167 7.7844 8.39 20 2.50 1.20 0.167 7.1856 7.19 30 3.60 1.10 0.167 6.5868 6.09 40 4.62 1.02 0.167 6.1078 5.07 50 5.55 0.93 0.167 5.5689 4.14 60 6.40 0.85 0.167 5.0898 3.29 Csc = 9.69 mg/l

70 7.19 0.79 0.167 4.7305 2.50 Klat = 0.4483/hr 80 7.94 0.75 0.167 4.4910 1.75 90 8.64 0.70 0.167 4.1916 1.05 dC/dt = 8.3541 – 0.4483 Cl

100 9.30 0.66 0.167 3.9521 0.39

Figura No. 10Evaluación de Campo de un Sistema de aeración

,

,

,,

,,

, , , ,

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

C, mg/l

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

dc

/d

t,

m

g/

l/

hr

dC/dt Klat=0.4483/hr,

dc/dt = (Kla . Cs - r) - Kla . ClPara Cl=0: dC/dt = 8.3541

RENDIMIENTO DE CAMPO DE UN AERADORPROCEDIMIENTO DE CALCULO

• Determinación de la constante de transferencia de oxígeno Klatmediante el ajuste lineal de los datos, en la forma antesindicada

 2. Cálculo de la masa de oxígeno transferida en condiciones decampo y cero % saturación, con la siguiente relacióndesarrollada de la ecuación

  Nct = Klat x Csc x V/1000 3.  Cálculo de la masa de oxígeno transferida en condiciones

estándar mediante la aplicación de la ecuación 

Nct = N20 (Csc x ββ/9.02) αα . θθ(T – 20)

4.   Determinación de los rendimientos estándar a nivel del cable ya nivel del eje.

FIN DE LA CONFERENCIA

Muchas Gracias