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INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE LA MONTAA
INGENIERA AMBIENTAL
FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES
RESUMEN DE LA UNIDAD
UNIDAD 3. OPERACIONES UNITARIAS
DOCENTE: LETICIA ANGLICA FLORES PREZ
YANET GALINDO CANDIA
1
NDICE
INTRODUCCIN..02
3.1 DESBROZO..03
3.2 CRIBADO.03
3.3 DESARENADO....04
3.4 FLOTACIN07
3.5 SEDIMENTACIN.14
CONCLUSIN...17
FUENTE DE CONSULTA....19
REPORTE DE LA EXPOSICIN: FLOTACIN20
REPORTE DE LA PRCTICA DE SLIDOS SEDIMENTABLES.....33
REPORTE DEL BIORREACTOR..48
2
INTRODUCCIN
La seleccin de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie
de procesos de tratamiento dependen de un cierto nmero de factores,
entre los que se incluyen:
Caractersticas del agua residual: DBO, materia en suspensin, pH,
productos txicos.
Calidad del efluente de salida requerido.
Coste y disponibilidad de terrenos; p.ej. ciertos tratamientos
biolgicos (lagunaje, estanques de estabilizacin) son
econmicamente viables nicamente en el caso de que se
disponga de terrenos de bajo coste.
Consideracin de las futuras ampliaciones o la previsin de lmites de
calidad de vertido ms estrictos que necesiten en el diseo de
tratamientos mas sofisticados en el futuro.
Coste local del agua; p. ej. Ciertos tratamientos sofisticados (p.ej.
smosis inversa) podran justificarse en determinadas regiones en que
el coste del agua es elevado, y estaran fuera de lugar en regiones
de bajo coste del agua.
Los tratamientos de aguas residuales implican la reduccin de slidos en
suspensin o el acondicionamiento de las aguas residuales para su
descarga o bien en los receptores o para pasar un tratamiento secundario
a travs de una neutralizacin u homogeneizacin.
3.1 DESBROZO
Reduccin de slidos en suspensin de diferentes tamaos por medio del
uso de rejillas de operacin manual o mecnica. Los productos se
3
destruyen por incineracin o pueden ser tratados por digestin anaerobia,
o se dirigen directamente al vertedero.
Las materias slidas recogidas se suelen clasificar en finos y gruesos:
Rejillas de slidos finos.- Apertura de 5 mm o menos. Generalmente
estn fabricadas de malla metlica de acero, o en base a placas do
chapas de acero perforado y se usan muchas veces en lugar de
sedimentacin. Elimina del 5-25% de slidos y el 40-60% se elimina
por sedimentacin.
Rejillas o cribas de slidos gruesos.- Apertura de 4, 8 9 cm. Se usan
como elementos de proteccin para evitar que los slidos de
grandes dimensiones daen las bombas y otros equipos mecnicos.
A veces se utilizan trituradoras en lugar de las rejillas de gruesos. Estos
elementos rompen o desgarran los slidos en suspensin, que se eliminan
por sedimentacin.
3.2 CRIBADO
Tambin llamado desbrozo. Las aguas residuales llegarn por gravedad,
conducidas por el emisor, hasta el lugar donde ser construida la planta
de tratamiento de aguas residuales. Los materiales slidos y bastos, tales
como cscaras de fruta, harapos, palos, trozos de papel y madera que
frecuente e inexplicablemente encuentran su destino en el sistema de
alcantarillado, se separan pasando las aguas a travs de rejillas, hechas
con varillas de hierro paralelas. El propsito fundamental de los dispositivos
de cribado es proteger a las bombas y otros equipos electromecnicos y
prevenir el atascamiento de vlvulas. Por este motivo la primera operacin
que se lleva a cabo en el influente de agua residual es el cribado. El
emparrillado de las rejillas, que es su estructura funcional, est inclinado
4
con respecto al piso del canal donde se instalan y puede ser de dos tipos
generales: de limpieza manual y de limpieza mecnica.
3.3 DESARENADO
Los desarenadores se ubican despus de las rejillas. Cuando es necesario
bombear el influente de agua residual se recomienda localizar el crcamo
a continuacin de los desarenadores. El propsito de separar la arena del
material orgnico susceptible de putrefaccin es evitar depsitos de arena
en los tanques de aireacin, obstruccin de tuberas, desgaste de rastras
en sedimentadores, bombas, etc. El equipo mecnico y electromecnico
se desgasta con mayor rapidez debido a la arena. Durante la poca de
lluvias se arrastra gran cantidad de este material, por lo que es necesario
que su diseo considere el manejo eficiente del agua en esta poca, ya
que es cuando ms se requiere de los desarenadores.
Se disean para separar del agua partculas minerales de hasta 0.2 mm de
dimetro; sin embargo, existen restos de alimentos que tienen dimetro
grande, con velocidad de sedimentacin semejante a la de la arena, por
5
lo que el material extrado del desarenador contiene partculas orgnicas y
debe manejarse adecuadamente para prevenir o atenuar el mal olor.
La forma convencional de separar arena es utilizando los equipos de
sedimentacin. Otra posibilidad es la utilizacin de hidrociclones. Un
modelo fue fabricado por Dorr-Oliver Inc., con el nombre comercial de
DorrClone.
Las ciclones DorrClone son separadores liquido/slido. Utilizando la energa
suministrada por la bomba de alimentacin, la fuerza centrifuga separa
materiales con diferentes especficos. El cicln consiste en un cuerpo
esttico cilndrico/cnico, con una alimentacin tangencial en la seccin
cilndrica superior. La descarga del liquido est situada en la parte superior
del eje de la maquina, y los slidos se descargan en la parte opuesta
inferior.
Al entrar el agua residual en la cmara cilndrica, tangencialmente, se
establece un flujo espiral o de vrtice. Las fuerzas centrifugas lanzan la
arena sobre las paredes del cono, donde los slidos van deslizndose
hacia el punto de salida inferior. El agua residual, libre ya de arena, ms
ligera (contiene todava los slidos orgnicos o fraccin ligera) circula
6
hacia el centro del vrtice y sale por la parte superior. Los DorrClones ms
usados en el tratamiento de aguas residuales son de dimetros que oscilan
entre 30 y45 cm de dimetro en la seccin cilndrica. Cuando el caudal
excede la capacidad de una unidad, se disponen varias instalaciones en
paralelo.
La arena recogida en la parte inferior del cicln entra en un clasificador
rascador, diseado para hacer un lavado y eliminar el agua de la arena
recogida. En esta fase se separan los materiales biodegradables que han
salido acompaando la arena, y se elimina el agua en ella contenida para
poder ser ms fcilmente transportada al punto de vertido. El clasificador
de rasquetas consiste en un tanque, un rascador y el accionamiento del
mismo.
El tanque es rectangular con el fondo inclinado. En el extremo superior se
descarga la arena. El extremo inferior, donde se derrama el fango, est
cerrado parcialmente con un vertedero ajustable que regula el
rebosamiento del lquido. La alimentacin se hace por la parte superior de
la cmara de sedimentacin. El mecanismo de rastrillo consta de varias
paletas operadas mecnicamente, y sometidas a un movimiento de
vaivn, estando soportado todo el sistema en ambos extremos de la
instalacin, todo ello movido por un cabezal. Dicho cabezal est movido
a travs de un sistema de engranajes, por un motor elctrico, con un
transmisor por correa o reductor.
El lodo que se introduce en la alimentacin se separa rpidamente en dos
fracciones: los finos, material que se sedimenta lentamente (en su mayora
materia orgnica), inferiores a la malla de separacin; y la parte ms
gruesa, de sedimentacin rpida, y que denominamos arena, de mayor
tamao que la malla de separacin. La fraccin fina se mantiene en
suspensin debido a su diferente peso especifico y a la agitacin
7
producida por el movimiento de vaivn de las paletas del rastrillo. No
siendo posible su sedimentacin, los finos pasan con el lquido por el
rebosadero. La fraccin ms gruesa, por otra parte, se hunde rpidamente
hacia el fondo y es arrastrada por las paletas del rastrillo.
La arena sedimentada avanza hacia arriba por el fondo inclinado del
tanque. El movimiento de vaivn de las paletas del rastrillo transporta los
granos de arena, y separa los finos de menor tamao de los materiales
gruesos, y los mantienen en suspensin hasta que salen con el rebose.
Las partculas ms gruesas se separan por encima del nivel del lquido,
siendo finalmente descargadas por la ltima de las paletas
3.4 FLOTACIN
La flotacin es un proceso de clarificacin primaria particularmente
efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y
con gran contenido de algas.
El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que
los slidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la
superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado.
La flotacin es un proceso para separar slidos de baja densidad o
partculas lquidas de una fase lquida.
La separacin se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en
la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un
proceso de presurizacin para alcanzar una presin de funcionamiento
que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o
conseguir la saturacin en aire del agua.
Luego este lquido saturado de aire se somete a un proceso de
despresurizacin llevndolo hasta la presin atmosfrica por paso a travs
8
de una vlvula reductora de presin. En esta situacin, y debido a la
despresurizacin se forman pequeas burbujas de aire que se desprenden
de la solucin.
Los slidos en suspensin o las partculas liquidas (por. Ej.: aceites o
petrleo) flotan, debido a que estas pequeas burbujas, asocindose a los
mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie.
Los slidos en suspensin concentrados pueden separarse de la superficie
por sistemas mecnicos. El lquido clarificado puede separarse cerca del
fondo, y parte del mismo puede reciclarse.
En la flotacin interviene la diferencia entre la masa volumtrica de los
slidos o flculos y la del lquido en que se encuentran en suspensin. Sin
9
embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantacin, este proceso
de separacin slidolquido nicamente se aplica a partculas que tienen
una masa volumtrica real (flotacin natural) o aparente (flotacin
provocada) inferior a la del liquido que la contiene.
En el campo de la depuracin del agua, o del tratamiento de los fangos
procedentes de la depuracin del agua, se interesa, por seleccionar,
ciertas materias de la suspensin con relacin a otras. Si se deseara esta
seleccin, el valor de los productos separados no justificara,
generalmente, el costo de reactivos colectores o depresores.
La flotacin puede ser natural cuando la masa volmica de las partculas
que se quiere eliminar es inferior a la del agua.
La flotacin provocada se produce por la fijacin artificial de burbujas de
aire o de gas sobre las partculas a eliminar, confirindoles as una masa
volmica media inferior a la del agua. Por un fenmeno semejante,
aunque no deseable, la costra que se forma en los digestores puede
presentar contenidos en materia seca del 20 al 40% mientras que la masa
volmica del fango es solo de 0.8 0.7 kg/l.
Se observa, a veces, un espesamiento natural por flotacin debido a una
fermentacin, sobre grandes depsitos de fangos orgnicos situados en
zonas despobladas.
SISTEMAS DE FLOTACIN
Cualquier sistema de flotacin debe presentar las siguientes caractersticas:
a) Generacin de bolas de tamao apropiado en relacin con las
partculas que se desea remover.
b) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partculas en
suspensin.
10
c) Separacin adecuada del material flotante.
La flotacin puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a
travs del proceso electroltico y por aire disuelto, cuyas caractersticas
principales son:
FLOTACIN NATURAL.- Se emplea frecuentemente una flotacin
natural para el predesaceitado de aguas de refineras, laminacin,
etc. Con aguas de refinera no cargadas en productos parafnicos u
otros desechos voluminosos, pueden disponerse en el desaceitador
una serie de placas paralelas inclinada espaciadas algunos
centmetros.
FLOTACIN MECNICA.- Consiste en una dispersin mecnica de
burbujas de aire de 0.1 a 1 mm de dimetro, se utiliza especialmente
para la separacin y concentracin, por formacin de espuma de
los minerales.
La suspensin as acondicionada se introduce en el centro de un
rotor que gira a gran velocidad y que igualmente aspira aire. Las
burbujas de aire finamente divididas, aparecen durante la impulsin
de la emulsin a travs de una jaula que rodea el rotor.
FLOTACIN POR AIRE DISPERSO.- En estos sistemas usualmente se
emplean rotores que promueven, simultneamente, dispersin,
aereacin y agitacin de la suspensin, con produccin de bolas de
aire que tienen cerca de un m de dimetro. Es posible, tambin, el
uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque las bolas
resultan con un dimetro mayor (~50 m). La flotacin por aire
disperso comnmente es utilizada en la industria minera.
Ejemplos de aplicacin
Tratamiento industrial de aguas.
11
Industria papelera.
Industria alimentaria.
Refineras de petrleo.
Industria de plsticos.
Tratamiento de aguas residuales urbanas.
Decantacin secundaria cuando el lodo activado tiene malas
propiedades de sedimentacin.
Complemento o sustitucin de la decantacin primaria.
FLOTACIN ELECTROLTICA.- La oxidacin andica del ion clorato de
una suspensin con pH alrededor de 7,5 con produccin de ion
hipoclorito y oxgeno ha sido investigada como unidad de
generacin de las bolas en la flotacin de suspensiones en las que
fueron usados cloruro frrico como coagulante primario y polmero
orgnico como auxiliar de floculacin. Este sistema requiere
investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la
calidad del agua por tratar.
FLOTACIN POR INYECCIN DE AIRE.- Flotacin natural mejorada por
inyeccin, en el seno de la masa liquida, de burbujas de aire de
algunos milmetros de dimetro. Se utilizan, cuerpos porosos, o en el
caso de lquidos muy cargados, difusores de burbujas de tamao
medio, dispuestos de forma que provoquen turbulencias locales que
favorecen la divisin de las burbujas de aire. El tamao de las
burbujas debe ser suficientemente pequeo para que puedan
adherirse a las partculas que deben flotar.
En la instalaciones destinadas a la eliminacin de materias ligeras
(gruesas, aceites espesos, fibras gruesas, papeles, etc), se prevn,
generalmente, dos zonas, una de agitacin y emulsin, y otra, en
calma, de flotacin propiamente dicha.
12
En la zona de emulsin, la suspensin se agita y se mezcla con el aire.
El recorrido de las burbujas de aire aumenta por el movimiento en
espiral creado por la agitacin.
En la zona de separacin y de recogida de las materias flotantes, el
caudal es muy pequeo y por consiguiente, la turbulencia muy
reducida.
FLOTACIN POR AIRE DISUELTO.- La flotacin por aire disuelto ha sido
uno de los procesos ms estudiados en el tratamiento de las aguas
residuales. Actualmente, tambin ha sido muy investigado en el
tratamiento de aguas de abastecimiento.
CMARA DE FLOTACIN
La cmara de flotacin puede ser de seccin rectangular o circular.
Cmaras rectangulares. Es recomendable la instalacin de una
pantalla con un ngulo de inclinacin de 60 con la horizontal y con
30 a 50 cm de largo.
El ancho de la cmara depende del tipo de equipo usado para el
raspado del material flotante y rara vez excede de 8 metros.
El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las
situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el
segundo, hay deposicin de material flotante. La profundidad vara entre 1
13
y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribucin de
agua presurizada en el interior de la cmara de flotacin.
Cmara de flotacin circular. La mezcla de agua presurizada con el
agua por clarificar se hace en un punto prximo a la entrada de la
cmara de flotacin, que en el centro posee un ducto tambin
circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar
cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia
una o ms canaletas de coleccin. Mientras el agua hace un
movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro
intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia
del cilindro externo.
La cmara de flotacin, independientemente de la forma que tenga, es
proyectada para un tiempo medio de retencin comprendido entre 10 y
20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d.
La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen
tanto en el tiempo de retencin como en la tasa de escurrimiento
14
superficial, razn por la cual es fundamental realizar una investigacin
antes de elaborar el proyecto definitivo.
3.5 SEDIMENTACIN
La sedimentacin se utiliza en los tratamientos de aguas residuales para
separar slidos en suspensin de las mismas.
La eliminacin de las materias por sedimentacin se basa en la diferencia
de peso especfico entre las partculas solidas y el liquido donde se
encuentran, que acaba en el depsito de las materias en suspensin.
En algunos casos, la sedimentacin es el nico tratamiento al que se
somete el agua residual. La sedimentacin puede producirse en una o
varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una
planta tpica de lodos activos, la sedimentacin se utiliza en tres de las
fases de tratamiento:
1. En los desarenadores, en los cuales la materia inorgnica (arena, a
veces) se elimina del agua residual.
2. En los clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden al
reactor biolgico, y en la cual los slidos (orgnicos y otros) se
separan.
3. En los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen al
reactor biolgico, en los cuales los lodos del biolgico se separan del
efluente tratado.
TIPOS DE SEDIMENTACIN
Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de
sedimentacin, dependiendo de la naturaleza de los slidos presentes en
suspensin.
15
Sedimentacin discreta. Las partculas que se depositan mantienen
su individualidad, o sea, no se somete a un proceso de coalescencia
con otras partculas. En este caso, las propiedades fsicas de las
partculas (tamao, forma, peso especifico) no cambian durante el
proceso. La deposicin de partculas de arena en los desarenadores
es un ejemplo tpico de sedimentacin discreta.
Sedimentacin con floculacin. La aglomeracin de las partculas va
acompaada de cambios en la densidad y en la velocidad de
sedimentacin o precipitacin. La sedimentacin que se lleva a
cabo en los clarificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo
de este proceso.
Sedimentacin por zonas. Las partculas forman una especie de
manta que sedimenta como una masa total presentando una
interfase distinta con la fase liquida. Ejemplos de este proceso
incluyen la sedimentacin de lodos activos en los clarificadores
secundarios y la de los flculos de alumina en procesos de
tratamientos de aguas.
TEORA DE LA SEDIMENTACIN DISCRETA
El fundamento para la sedimentacin de partculas discretas es la ley de
Newton, que se basa en la suposicin de que las partculas son esfricas
con dimetros homogneos. Cuando una partcula se sedimenta, va
acelerndose hasta que las fuerzas que provocan la sedimentacin, en
particular el peso efectivo de la partcula, se equilibran con las resistencias
o fuerzas de friccin ofrecidas por el lquido. Cuando se llega a este
equilibrio, la partcula alcanza una velocidad de sedimentacin constante,
denominada velocidad final de sedimentacin de la partcula.
16
CONCEPTO DE TANQUE DE SEDIMENTACIN IDEAL
Este concepto desarrollado pro Hazen, es la base para poder llegar a
relaciones utilizadas en el diseo de tanques de sedimentacin. El modelo
seleccionado para un sedimentadores el de seccin rectangular
consistente en cuatro zonas:
Zona de entrada. En el cual el flujo puede considerarse laminar. Se
supone que en el lmite de esta zona (siguiendo la lnea vertical xt)
las partculas se distribuyen uniformemente segn la seccin de
entrada.
Zona de sedimentacin. Se supone que la partcula deja de estar en
suspensin cuando llega al fondo de esta zona (lnea horizontal ty).
Zona de salida. El agua residual se recoge aqu antes de su paso al
tratamiento posterior.
Zona de lodos. Esta zona es la reservada para la retirada de los
lodos.
17
CONCLUSIN
El agua residual contiene una variedad de slidos de distintas formas,
tamaos y densidades.
Para removerlos se requiere una combinacin de las operaciones unitarias:
cribado, desmenuzado y sedimentacin. Los elementos de la planta de
tratamiento que corresponden al subsistema primario son los siguientes:
1. Emisor de llegada.
2. Elementos preparatorios:
a) Rejillas (o desmenuzador) para separar (o reducir) el
material basto.
b) Desarenadores para separar la arena.
c) Vertedor, medidor o canal de aforo.
d) Tanque de igualacin para amortiguar las variaciones
de las descargas de aguas residuales con el fin de tratar un
gasto uniforme.
3. Tanques de sedimentacin primaria para separar los slidos
suspendidos.
Los emisores son la parte de la red de alcantarillado que conducen el
agua residual a la planta de tratamiento, y de sta al sitio de vertido final.
Los emisores se disean para operar a gravedad o a presin, decisin que
depende de las condiciones particulares de cada proyecto.
El gasto de diseo de los emisores es el gasto mximo extraordinario de
proyecto, en el tramo comprendido entre la red y la planta de
tratamiento, y el gasto del efluente tratado para el tramo existente entre la
planta y el sitio de vertido final.
La parte del emisor que conduce el efluente de agua residual tratada
puede ser un canal a cielo abierto, pero aparte del emisor que conduce
18
el influente de agua residual cruda es una tubera, comnmente de
concreto, que slo se encontrar totalmente inundada durante o
inmediatamente despus de una precipitacin pluvial.
Las operaciones para eliminar los objetos grandes y la arena, junto con la
medicin del gasto, son denominadas frecuentemente tratamiento
preliminar, y son una parte integral del tratamiento primario.
19
FUENTE DE CONSULTA
R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edicin revisada,
edit. Revert, S.A. Cp. 3.
Degremont, Manual tcnico del agua. 4 edicin. Seguda parte.
Proceso y aparatos de tratamiento
Csar Valdez, Enrique, Vzquez Gonzlez Alba B. Ingeniera de los
sistemas de tratamiento y disposicin de aguas residuales. Fundacin
ICA. unidad 2. Tratamiento primario.
Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE
TRATAMIENTO, consultado en
http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom
oI/tres.pdf
Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO 8. FLOTACIN, consultado en
http://www.bvsde.ops-
oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf
Tratamientos de aguas, procesos mecnicos, consultado en
http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf
20
REPORTE DE EXPOSICIN DE FLOTACIN
INTRODUCCIN
La flotacin es un proceso para separar slidos de baja densidad o
partculas lquidas de una fase lquida.
La separacin se lleva a cabo introduciendo un gas (normalmente aire) en
la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un
proceso de presurizacin para alcanzar una presin de funcionamiento
que oscila entre 2 y 4 atm., en presencia del suficiente aire para o
conseguir la saturacin en aire del agua.
Luego este lquido saturado de aire se somete a un proceso de
despresurizacin llevndolo hasta la presin atmosfrica por paso a travs
de una vlvula reductora de presin. En esta situacin, y debido a la
despresurizacin se forman pequeas burbujas de aire que se desprenden
de la solucin.
Los slidos en suspensin o las partculas liquidas (por. Ej.: aceites o
petrleo) flotan, debido a que estas pequeas burbujas, asocindose a los
mismos, les obligan a elevarse hacia la superficie.
Los slidos en suspensin concentrados pueden separarse de la superficie
por sistemas mecnicos. El lquido clarificado puede separarse cerca del
fondo, y parte del mismo puede reciclarse.
21
FLOTACIN
La flotacin es un proceso de clarificacin primaria particularmente
efectivo para tratar aguas con baja turbiedad, altamente coloreadas y
con gran contenido de algas.
El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que
los slidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la
superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para
mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotacin.
Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites,
turbiedad y color. Los agentes de flotacin empleados son sustancias
espumantes y microburbujas de aire.
Consiste en la separacin de las partculas naturales presentes en el agua
cruda, coaguladas o floculadas, mediante el uso de sales de aluminio o de
hierro y de polmeros.
Los slidos cuya densidad es aproximadamente igual o menor que la del
agua, no se pueden separar por sedimentacin. Tales slidos se
sedimentaran slo muy lentamente o permaneceran en suspensin.
El objetivo de la flotacin es aumentar el empuje ascensional de los slidos.
Esto se logra mediante la generacin de burbujas de gas finas. Las
burbujas de gas se adhieren a los slidos y los transportan a la superficie del
agua, desde donde se pueden retirar los slidos flotados. Condicin para
ello es que los slidos sean hidrfobos, es decir, que sean ms afines al aire
que al agua. Los slidos separados reciben el nombre de flotantes. El factor
clave para la flotacin es el tamao de las burbujas de gas. Cuantas ms
22
pequeas son, tanto menor es su velocidad de ascensin. Esto se
compensa por el hecho de que las burbujas de gas pequeas se adhieren
a los slidos en mayor nmero que las burbujas grandes.
El principal mtodo usado en tratamiento de aguas es la flotacin por aire
disuelto. Otra variante del mtodo es la electroflotacin. Ambos
procedimientos se diferencian principalmente en la forma de produccin
de las burbujas de gas.
La flotacin por aire disuelto
La flotacin por aire disuelto se basa en que la solubilidad del aire en agua
aumenta con la presin (a temperatura constante). En este sistema, una
corriente parcial del agua depurada (agua de circulacin) se satura con
aire a presin. El agua de circulacin se retorna al depsito de flotacin a
travs de una vlvula de reduccin de presin. La reduccin brusca de la
presin a la presin atmosfrica provoca que el aire disuelto forme
pequeas burbujas. Un rascador retira la espuma flotante de la superficie
del agua. Para mejorar la flotabilidad de los slidos se aaden
frecuentemente coagulantes y floculantes al agua bruta.
Con esto se forman partculas slidas de mayor tamao a las que se
pueden adherir ms burbujas de aire.
23
Ejemplos de aplicacin
Tratamiento industrial de aguas.
Industria papelera.
Industria alimentaria.
Refineras de petrleo.
Industria de plsticos.
Tratamiento de aguas residuales urbanas.
Decantacin secundaria cuando el lodo activado tiene malas
propiedades de sedimentacin.
Complemento o sustitucin de la decantacin primaria.
En la flotacin interviene la diferencia entre la masa volumtrica de los
slidos o flculos y la del lquido en que se encuentran en suspensin. Sin
embargo, contrariamente a lo que ocurre en la decantacin, este proceso
de separacin slidolquido nicamente se aplica a partculas que tienen
una masa volumtrica real (flotacin natural) o aparente (flotacin
provocada) inferior a la del liquido que la contiene.
En la flotacin provocada, se aprovecha la capacidad que tienen ciertas
partculas slidas o lquidas para unirse a burbujas de gas (generalmente,
aire) y formar conjuntos partculagas menos densos que el lquido que
constituye la fase dispersa.
La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arqumedes, fuerza de
resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos
partcula gas que se concentran en la superficie libre del lquido.
Para que sea factible la flotacin de partculas slidas o lquidas ms
densas que el lquido, es preciso que la adherencia de las partculas a las
burbujas de gas sea mayor que la tendencia a establecer un contacto
entre las partculas y el lquido. Este contacto entre un slido y un lquido se
24
determina mediante la medida del ngulo formado por la superficie del
slido y la burbuja de gas.
Si = 0, el contacto entre el slido y el lquido se realiza de forma perfecta;
es imposible la adherencia slido-gas.
Si = 180, el contacto entre el slido y el lquido es nulo; es ptimo el
contacto slido-gas. Se trata de un caso lmite que nunca se da en la
prctica, puesto que ningn lquido da un ngulo mayor de 110 (caso
del mercurio).
Entre estos dos valores, la adherencia partculagas aumenta con el valor
del ngulo . Puede considerarse este tipo de flotacin de una partcula
en el caso de partculas slidas o lquidas (aceites) que tienen una forma
relativamente simple y una naturaleza conocida. En el caso de partculas
floculadas, a los fenmenos de superficie se suman las adherencias
mecnicas ligadas a la estructura de los flculos, especialmente
inclusiones de gas en los flculos.
El ngulo se puede aumentar mediante el uso de sustancias tensoactivas
que forman una pelcula hidrfoba alrededor de las partculas. Tales
sustancias poseen en sus molculas una parte no polar (hidrfoba) que es
25
atrada por las burbujas de aire en ascensin y otra polar (hidrfila), que es
atrada por la fase dispersa. El empleo de sustancias espumantes tambin
ha sido recomendado para formar una mezcla ms estable de burbujas y
partculas: tales sustancias tienen, adems, la propiedad de reducir el
tamao de las bolas de aire, aumentando la superficie especfica de las
mismas, para proporcionar mayor capacidad de absorcin y tiempo de
contacto, ya que bolas de aire pequeas poseen menores velocidades
ascensionales.
Los mecanismos de contacto entre las bolas de aire y las partculas
pueden resultar de las siguientes acciones:
a) Colisin entre la bola y la partcula, debido a turbulencia o a
atraccin entre ambas
b) Aprisionamiento de las bolas contra los flculos o contacto entre los
flculos que estn sedimentando y las bolas de aire en ascensin.
c) Crecimiento de las bolas de aire entre los flculos. Cuando se tienen
partculas hidroflicas, los mecanismos b y c parecen ser los
responsables de la eficiencia de la flotacin, en tanto que el
mecanismo a parece predominar en la obtencin de una ligazn
ms estable entre las bolas de aire y las partculas, las cuales
requieren un cierto grado de hidrofobia.
SISTEMAS DE FLOTACIN
Cualquier sistema de flotacin debe presentar las siguientes caractersticas:
d) Generacin de bolas de tamao apropiado en relacin con las
partculas que se desea remover.
e) Adherencia eficiente entre las bolas de aire y las partculas en
suspensin.
f) Separacin adecuada del material flotante.
26
La flotacin puede ser realizada por aire disperso, por bolas generadas a
travs del proceso electroltico y por aire disuelto, cuyas caractersticas
principales son:
Flotacin por aire disperso
En estos sistemas usualmente se emplean rotores que promueven,
simultneamente, dispersin, aereacin y agitacin de la suspensin, con
produccin de bolas de aire que tienen cerca de un m de dimetro. Es
posible, tambin, el uso de un medio poroso para difundir el aire, aunque
las bolas resultan con un dimetro mayor (~50 m). La flotacin por aire
disperso comnmente es utilizada en la industria minera.
Flotacin electroltica
La oxidacin andica del ion clorato de una suspensin con pH alrededor
de 7,5 con produccin de ion hipoclorito y oxgeno ha sido investigada
como unidad de generacin de las bolas en la flotacin de suspensiones
en las que fueron usados cloruro frrico como coagulante primario y
polmero orgnico como auxiliar de floculacin. Este sistema requiere
investigaciones futuras que tengan en cuenta, principalmente, la calidad
del agua por tratar.
Flotacin por aire disuelto
La flotacin por aire disuelto ha sido uno de los procesos ms estudiados
en el tratamiento de las aguas residuales. Actualmente, tambin ha sido
muy investigado en el tratamiento de aguas de abastecimiento.
Hay tres tipos bsicos de sistemas de flotacin:
27
a) Con presurizacin parcial del afluente;
b) Con presurizacin total del afluente;
c) Con presurizacin de la recirculacin.
28
Entre los tipos de flotacin, aquella con presurizacin de la recirculacin es
la ms aconsejable en el tratamiento de las aguas, pues los flculos
podran romperse en la bomba.
CMARA DE FLOTACIN
La cmara de flotacin puede ser de seccin rectangular o circular.
Cmaras rectangulares. Es recomendable la instalacin de una
pantalla con un ngulo de inclinacin de 60 con la horizontal y con
30 a 50 cm de largo. El ancho de la cmara depende del tipo de
equipo usado para el raspado del material flotante y rara vez
excede de 8 metros.
El largo puede variar entre 4 y 12 metros siempre que no ocurran las
situaciones A o C. En el primer caso, el largo es insuficiente, y en el
segundo, hay deposicin de material flotante. La profundidad vara entre 1
y 3 metros, dependiendo del tipo de dispositivo para la distribucin de
agua presurizada en el interior de la cmara de flotacin.
Cmara de flotacin circular. La mezcla de agua presurizada con el
agua por clarificar se hace en un punto prximo a la entrada de la
29
cmara de flotacin, que en el centro posee un ducto tambin
circular, para conducir el agua a la parte superior y evitar
cortocircuitos. El material flotante es continuamente raspado hacia
una o ms canaletas de coleccin. Mientras el agua hace un
movimiento descendente, pasa por la parte inferior del cilindro
intermedio y es colectada en la canaleta localizada en la periferia
del cilindro externo.
La cmara de flotacin, independientemente de la forma que tenga, es
proyectada para un tiempo medio de retencin comprendido entre 10 y
20 minutos y una tasa de escurrimiento superficial de 100 a 300 m3/ m2/d.
La calidad del agua cruda y las condiciones de pretratamiento influyen
tanto en el tiempo de retencin como en la tasa de escurrimiento
superficial, razn por la cual es fundamental realizar una investigacin
antes de elaborar el proyecto definitivo.
30
PRETRATAMIENTO
La eficiencia de la flotacin depende del pretratamiento realizado y este,
a su vez, est relacionado con la calidad del agua cruda. La realizacin
de investigaciones piloto, aunque no sean de escurrimiento contino,
pueden proporcionar informacin fundamental en cuanto al tipo de
coagulante primario, la dosis y el pH de coagulacin, el tipo y la dosis de
polmero. Adems de la mezcla rpida, un tiempo de floculacin
comprendido entre 5 y 20 minutos puede ser necesario para que los
flculos alcancen un tamao de 0,5 y 1 mm, considerado ideal para la
flotacin.
El enriquecimiento que se puede lograr a travs de la flotacin depende
de la selectividad de los reactivos colectores, depresores y activadores. Los
reactivos colectores se encargan de convertir la superficie de las partculas
en hidrofbicas, por lo tanto se requiere de la seleccin de un colector que
tenga la capacidad de modificar superficialmente tan slo las partculas
de la especie de inters.
Si existen partculas de especies superficialmente afines, que no permiten
una selectividad adecuada del colector (como es el caso de la
separacin de especies sulfurosas), se deben utilizar depresores que
interacten selectivamente sobre una de las especies de tal forma que
cuando la partcula que contiene el depresor en su superficie entre en
contacto con el colector este no interactu sobre ella.
31
CONCLUSIN
La flotacin es uno de los procesos ms selectivos para la separacin de
especies sulfurosas, y de Plomo- zinc y cobre zinc.
La flotacin surgi a partir del proceso de separacin en medios densos, ya
que la dificultad para la obtencin de fluido con algunas densidades
particulares oblig a la utilizacin de modificadores de superficie, con el fin
de mejorar la selectividad del proceso.
Estos modificadores permiten convertir selectivamente en hidrofbica la
especie a separar, de tal forma que ante la presencia de un medio
constituido por agua y aire (burbujas), la especie hidrofbica rechace el
agua y se adhiera a las burbujas de aire que ascienden hacia la superficie
del lquido.
El proceso de flotacin se lleva a cabo en celdas de poseen mecanismos
de agitacin y dispositivos de inclusin de aire a la pulpa o al lquido de
separacin. La agitacin favorece la separacin y suspensin de las
partculas, mientras que la inclusin de aire promueve la formacin de
burbujas. La modificacin selectiva de las partculas a separar se obtiene
mediante la adicin de colectores, depresores y activadores. La
estabilidad de las burbujas de aire, necesarias para evitar que estas se
destruyan antes de llegar a la superficie del medio de separacin, se logra
mediante la adicin de espumantes. La selectividad en la modificacin
superficial de las partculas a separar se obtiene mediante la adicin de
modificadores de pH, lo que favorece que algunos colectores se adhieran
fcilmente a las especies ms hidrofbicas.
32
FUENTE DE CONSULTA
R. S. Ramalho, tratamiento de aguas residuales, edicin revisada,
edit. Revert, S.A. Cp. 3.
Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO3. PROCESOS UNITARIOS Y PLANTAS DE
TRATAMIENTO, consultado en
http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tom
oI/tres.pdf
Ing. Lidia de Vargas. CAPTULO 8. FLOTACIN, consultado en
http://www.bvsde.ops-
oms.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoII/ocho.pdf
Tratamientos de aguas, procesos mecnicos, consultado en
http://www.gunt.de/download/flotation_sedimentation_spanish.pdf
Universidad, facultad de ingeniera, Flotacin, consultado en
http://ingenieria.udea.edu.co/cim2005/mineralurgia/flotacion.pdf
33
REPORTE DE LA PRCTICA DE SLIDOS
SEDIMENTABLES
INTRODUCCIN
Las aguas naturales, residuales o residuales tratadas con altos contenidos de
slidos sedimentables no pueden ser utilizadas en forma directa por las industrias
o las plantas potabilizadoras. De ello se deriva el inters por determinar en forma
cuantitativa este parmetro.
La sedimentacin es, en esencia, un fenmeno netamente fsico y constituye uno
de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su
clarificacin. Cuando se produce sedimentacin de una suspensin de partculas,
el resultado final ser siempre un fluido clarificado y una suspensin ms
concentrada. Las partculas en suspensin sedimentan en diferente forma,
dependiendo de las caractersticas de las partculas, as como de su
concentracin.
La materia sedimentable se define como la cantidad de slidos que en un tiempo
determinado se depositan en el fondo de un recipiente en condiciones estticas. El
mtodo propuesto es volumtrico.
34
MATERIALES
o Frasco de polietileno o vidrio con una capacidad mnima de 1L, con tapa.
o Cono de sedimentacin tipo Imhoff de vidrio o plstico;
o Bases para conos Imhoff;
o Agitador largo de vidrio (traer una varilla delgada para la agitacin).
o Cronmetro.
o Potencimetro.
PROCEDIMIENTO
1. Se colecta un volumen de 2L, con un frasco de polietileno con tapa.
2. No se recomienda la adicin de agentes preservadores. Transportar
la muestra y mantenerla en refrigeracin hasta realizar el anlisis.
La muestra debe estar a temperatura ambiente al momento del
anlisis.
35
3. Etiquetar la muestra con:
Los nombres y ttulos de los analistas que ejecutaron los anlisis y
el encargado de control de calidad que verifico los anlisis.
Las bitcoras manuscritas del analista y del equipo en los que se
contengan los siguientes datos: Identificacin de la muestra, fecha
del anlisis, procedimiento cronolgico utilizado, cantidad de
muestra utilizada, nmero de muestras de control de calidad
analizadas.
4. Colocar la muestra bien mezclada en un cono imhoff hasta la marca
de 1L. Dejar sedimentar 45 min (contar intervalos de tiempo cada
10 min). Una vez transcurrido este tiempo agitar suavemente a los
lados del cono con un agitador o mediante rotacin, mantener en
reposo 15 min ms. Registrar en todo momento los slidos
sedimentables en mL/L.
36
RESULTADOS Y ANLISIS DE RESULTADOS
Antes de la determinacin de slidos sedimentables se determin la temperatura y
el pH de la muestra de agua residual.
NOTA: La muestra estuvo en refrigeracin posterior a su toma.
Parmetro Resultado
pH 7.36
Temperatura 19
Durante la prctica de determinacin de slidos sedimentables en agua residual
se obtuvieron los siguientes resultados en cuanto al tiempo de sedimentacin y los
ml de slidos sedimentados.
El color del agua residual era caf:
37
Los resultados de acuerdo a los 45 minutos de sedimentacin en la muestra y con
medicin cada 10 minutos son:
Tiempo en
minutos
ml de slidos sedimentados en 1 lt de
muestra
Observaciones
10 1.1 Los slidos sedimentan rpidamente
20 1.5 La velocidad de sedimentacin disminuye
30 1.7 La velocidad de sedimentacin disminuye
40 1.8 La variacin con el tiempo anterior es mnimo
45 1.8 La sedimentacin permanece constante
Se agit el cono con la muestra
Despus de 15 min.
2 Se sedimentaron solo 0.2 ml de slidos despus de la agitacin y el tiempo de espera
38
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
ml
Tiempo
Variacin de slidos sedimentados
ml de slidos sedimentados en 1 lt de muestra
Tiempo inicial 10 minutos
39
20 minutos
30 minutos
40 minutos
45 minutos
Agitacin despus de los 45 minutos
40
Clculo de velocidad de sedimentacin.
Velocidad de sedimentacin Tiempo Slidos sedimentados (m3) Velocidad (m/min)
10min 1.1*10-6 1.558*10-6
20min 1.5*10-6 1.0623*10-6
30min 1.7*10-6 8.0263*10-7
40min 1.8*10-6 6.3737*10-7
45min 1.8*10-6 5.6655*10-7
60min 2*10-6 4.7213*10-7
Reposo de los 15 minutos
Slidos sedimentados despus de los 15 minutos
41
CONCLUSIN
El anlisis de slidos sedimentables presentes en una muestra de agua nos
indica la cantidad de slidos que pueden sedimentarse a partir de un volumen
dado de muestra en un tiempo determinado. De esta forma la sedimentacin es
una operacin de preparacin del agua para la filtracin. Cuanto mejor sea la
decantacin, ms eficiente ser la filtracin.
BIBLIOGRAFA
http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/NMX-AA-004-SCFI-2013.pdf
APHA, AWWA, APLF. Mtodos normalizados para anlisis de aguas y aguas residuales. 17
ediciones. American Public Health Association Enc. New York 1992.
Csar Valdez Enrique, Vzquez Gonzlez Alba B. Ingeniera de los sistemas de tratamiento
y disposicin de aguas residuales. Fundacin ICA. 2003
42
ANEXOS
Clculo de la velocidad de sedimentacin:
43
44
45
CUESTIONARIO
1. Qu importancia tiene en ingeniera ambiental la medicin de la
materia solida existente en una gran variedad de muestras liquidas
y semilquidas que oscilan entre la aguas potables y las
contaminadas?
Los slidos gruesos se sedimentan y forman mantos de lodo en los que tiene
lugar la descomposicin anaerobia. Las corrientes arrastrarn y mezclarn los
productos de descomposicin con el agua de las capas superiores. Con
suficiente dilucin, es posible que sta no quede exenta de oxgeno. El
arrastre originado por una avenida puede levantar el lodo finamente dividido y
llevarlo aguas abajo, llegando a matar los peces al alojarse en sus agallas.
2. Qu es la sedimentacin de partculas discretas?
Se llama partculas discretas a aquellas partculas que no cambian de
caractersticas durante la cada. Se denomina sedimentacin o sedimentacin
simple al proceso de depsito de partculas discretas. Este tipo de partculas y
esta forma de sedimentacin se presentan en los desarenadores, en los
sedimentadores y en los presedimentadores como paso previo a la
coagulacin en las plantas de filtracin rpida y tambin en sedimentadores
como paso previo a la filtracin lenta.
3. Qu es la sedimentacin de partculas floculantes?
Se refiere a una suspensin bastante diluida de partculas que se agregan, o
floculan, durante el proceso de sedimentacin. Al unirse, las partculas
aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. En este tipo, la densidad
como el volumen de las partculas cambian a medida que ellas se adhieren
unas a otras mediante el mecanismo de la floculacin y la precipitacin
qumica.
46
4. Qu es la sedimentacin de partculas por cada libre o
interferida?
Cuando existe una baja concentracin de partculas en el agua, stas se
depositan sin interferir. Se denomina a este fenmeno cada libre. En cambio,
cuando hay altas concentraciones de partculas, se producen colisiones que
las mantienen en una posicin fija y ocurre un depsito masivo en lugar de
individual. A este proceso de sedimentacin se le denomina depsito o cada
interferida o sedimentacin zonal. Cuando las partculas ya en contacto
forman una masa compacta que inhibe una mayor consolidacin, se produce
una compresin o zona de compresin. Este tipo de sedimentacin se
presenta en los concentradores de lodos de las unidades de decantacin con
manto de lodos.
5. Con que otros mtodos se pueden determinar los slidos?
La remocin de slidos puede llevarse a cabo mediante filtracin, y los
compuestos de fsforo y nitrgeno pueden removerse mediante una
combinacin de procesos fsicos, qumicos y biolgicos.
La mayor parte de los slidos suspendidos presentes en las aguas residuales
son de naturaleza pegajosa y floculan en forma natural. Las operaciones de
sedimentacin primaria son esencialmente del Tipo 2 sin la adicin de
coagulantes qumicos ni operaciones de mezclado mecnico y floculacin.
La determinacin de slidos totales en muestras de agua por desecacin es
un mtodo muy utilizado, algunas de sus aplicaciones son: determinacin de
slidos y sus fracciones fijas y voltiles en muestras slidas y semislidas
como sedimentos de ro o lagos, lodos aislados en procesos de tratamiento de
aguas limpias y residuales y aglomeraciones de lodo en filtrado al vaco, de
centrifugacin u otros procesos de deshidratacin de lodos.
47
Un mtodo alterno y ms sencillo consiste en estimar los slidos disueltos
totales utilizando la medida de conductividad del agua.
48
REPORTE DEL BIORREACTOR
49
50
INTRODUCCIN
Un biorreactor es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiologa
industrial. Es un recipiente donde se realiza el cultivo, su diseo debe asegurar un
ambiente uniforme y adecuado para la reproduccin y el hbitat de los
microorganismos.
Las tareas que debe desempear el biorreactor, se resumen en:
1.- Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo
a fin de prevenir la sedimentacin o la flotacin.
2.- Mantener constante la temperatura.
3.- Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.
4.- Suministrar oxgeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo.
5.- El diseo debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo
el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo
deseado.
Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor est
provisto de un sistema de agitacin, a dems para el punto (4) se requiere de un
sistema que inyecte aire en el cultivo.1
1P royecto de un biorreactor, consultado en: https://prezi.com/ug3unzcduzvn/proyecto-biorreactores/.
28/03/2015.
51
OBJETIVOS GENERALES
Disear un biorreactor de acuerdo a las caractersticas que conlleva para su
elaboracin con condiciones adecuadas para su funcionamiento.
Disear y construir un biorreactor para obtener los lodos activados del agua
residual domstica.
OBJETIVOS ESPECFICOS
Aportar el desarrollo de un proyecto que ayude a la automatizacin de los
procesos llevados a cabo en este biorreactor.
Promover una fuente de conocimiento prctico para futuros aprendices de
ingenieros ambientales.
Identificar y describir las partes accesorias, al igual que la forma como se
operan, controlan, esterilizan, cargan y descargan, etctera.
Lograr una buena agitacin.
Lograr revoluciones por minuto de 65 como mximo.
e microorganismos.
52
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La presencia de nutrientes en aguas residuales domsticas (ARD) puede constituir
un problema no siempre de fcil solucin. En trminos generales la mayor parte de
los componentes presentes en el ARD son materia orgnica e inorgnica,
nutrientes y microorganismos; con relacin a los nutrientes nitrgeno y fsforo, se
destaca el problema de la eutrofizacin que puede causar daos al cuerpo
receptor, pudindose enumerar: problemas estticos y recreacionales, condiciones
anaerbicas en el fondo, eventual mortalidad de peces, mayor dificultad y
elevacin de los costos de tratamiento de aguas de consumo, problemas con el
abastecimiento de aguas industriales, modificaciones en la calidad y cantidad de
peces de valor comercial, reduccin en la navegacin y capacidad de transporte,
consumo de oxgeno disuelto, entre otros.
En funcin de esto se hace necesario que sean investigadas tecnologas de
acondicionamiento de aguas residuales, econmicas y sustentables, que a
diferencia de las estaciones de tratamiento convencionales centradas solo en la
eliminacin de materia orgnica y organismos patgenos incluyan la remocin de
nutrientes. Por lo tanto, la atencin en los ltimos aos se ha enfocado hacia el
desarrollo de sistemas de depuracin ms efectivos, siendo en la prctica
incluidos procesos terciarios a las estaciones de tratamiento y/o implementacin
de procesos continuos con eliminacin de carga orgnica y nutrientes.
53
JUSTIFICACIN
Como una alternativa a estos sistemas de tipo continuo se ha utilizado sistemas
de tratamiento biolgico de lodos activados de flujo discontinuo, donde las fases
de reaccin y decantacin se realizan en un solo tanque llamado Reactor
Biolgico Secuencial (RBS), eliminando de esta forma la necesidad de
decantadores y de instalaciones de recirculacin de lodo. En un RBS las fases de
tratamiento del agua residual se producen a lo largo de un perodo de tiempo
definido llamado ciclo, que una vez finalizado se vuelve a repetir de manera
sistemtica. Cada ciclo comprende una serie de fases que se suceden en el
tiempo, segn las caractersticas del tratamiento.
Entre las ventajas que proporcionan los RBS se destacan: flexibilidad para
adaptarse a las caractersticas del agua residual afluente, como las fluctuaciones
de caudal, permitiendo ajustar la duracin de los ciclos; reduccin de los costos en
relacin a procesos continuos, ocupan poco espacio fsico y posibilidad de
remocin conjunta de materia orgnica y nutrientes en un nico ciclo de operacin.
Teniendo en cuenta lo expuesto se desarrollo esta investigacin con el objetivo de
estudiar la aplicabilidad de un RBS en la eliminacin de nutrientes y materia
orgnica de un agua residual domstica, determinando la influencia de la variacin
del tiempo de duracin de las fases que conforman los ciclos de tratamiento y de
la edad de lodo en dichos procesos.
54
HIPTESIS
Mediante el diseo y la elaboracin de un biorreactor se busca mantener ciertas
condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentracin de oxgeno,
etctera) para que los microorganismos que contenga el biorreactor realicen su
funcin y con ello aprender a conocer el funcionamiento y eficacia de un
biorreactor en las PTAR.
55
MARCO TERICO
CAPITULO I.- EL REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO
El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una
agitacin casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y
desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material
producido). La condicin de agitacin no es tan difcil de alcanzar siempre y
cuando la fase lquida no sea demasiada viscosa.
El propsito de lograr una buena agitacin es lograr que en el interior del tanque
se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo
el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reaccin, y que no existan o
queden espacios muertos.
Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de
circulacin de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una
centsima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir
del reactor.
En el reactor continuamente agitado, ocurre la reaccin exotrmica A B.
Para remover el calor de la reaccin, el reactor es rodeado por una cmara
(camisa de refrigeracin) a travs del cual fluye un lquido refrigerante. Para
efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:
Las prdidas de calor circundantes son despreciables
Las propiedades termodinmicas, densidades, y las capacidades calorficas
de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes.
Mezcla (agitacin) perfecta en el reactor, por tanto la concentracin, presin y
temperatura son iguales en cualquier punto del tanque
Temperaturas uniformes en ambas cmaras.
56
Volmenes Constantes V, Vc.
Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado (CSTR) se operan cerca
de puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una produccin ptima del
proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede
ser muy sensible a cambios de carga (cambios en las condiciones de
alimentacin). Debido a que los CSTR son comnmente la parte central de un
proceso qumico completo, el control de la operacin del CSTR ha sido uno de los
problemas ms importantes en la industria qumica.
La regulacin de temperatura es la operacin de control ms sencilla de los CSTR.
La mayora de controladores de temperatura en la industria qumica son
controladores PI clsicos.
CAPITULO II.- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL MODELADO
Para remover el calor de la reaccin, el reactor es rodeado por una cmara a
travs del cual fluye un lquido refrigerante. Para efectos de nuestro estudio
debemos tener las siguientes consideraciones:
Las prdidas de calor circundantes son despreciables.
Las propiedades termodinmicas, densidades, y las capacidades calorficas
de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes.
Mezcla perfecta en el reactor.
Temperaturas uniformes en ambas cmaras.
Volmenes Constantes V, Vc
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones definamos las variables y los
parmetros para nuestra planta o proceso.
57
Variables independientes (variables de entrada):
Flujo del Producto A: f (t)
Flujo del Lquido Refrigerante: fc (t)
Variables dependientes (variables de salida):
- Concentracin del Producto Sobrante A: cA (t)
- Temperatura en el Reactor: T (t)
- Temperatura del Lquido Refrigerante: Tc (t)
Perturbaciones medibles:
- Concentracin del producto A en la entrada del Reactor cAi (t)
- Temperatura de Entrada del producto A: Ti (t)
- Temperatura del Lquido Refrigerante a la Entrada: Tci (t)
58
La instrumentacin y control de un biorreactor requiere de sensores que midan las
variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el equipo a un punto
ptimo de operacin. Idealmente, los sensores deben de estar en lnea, para
medir las propiedades fsicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables
para asegurar la asepsia del proceso. Sin embargo, no todas las mediciones
pueden ser hechas en lnea, algunas medidas fuera de lnea, requieren de tomar
muestras y analizarlas, lo cual consume tiempo y hace lenta la respuesta de
control (biomasa, sustrato, metabolitos, etc.). En la figura siguiente, podemos
observar los principales instrumentos de medicin en un biorreactor. Los sensores
de propiedades fsicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la
temperatura, presin, poder de agitacin, velocidad de agitacin, viscosidad del
medio, flujo y concentracin de gases y fluidos, espuma, volumen y masa. Los
utilizados en el prototipo son de agitacin, temperatura y nivel de lquido. Para la
medicin de las propiedades qumicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor,
de pH, redox, oxgeno disuelto y CO2. El ms utilizado es el de pH, aunque no
tiene utilidad para todas las fermentaciones, slo en las de tipo continuo donde se
necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con
sensores de pH y oxgeno disuelto.
59
Modos de operacin Los biorreactores, tienen bsicamente tres modos de
operacin para realizar las fermentaciones: 1. Modo lote (Batch) 2. Modo lote
alimentado (Fed-Batch) 3. Modo continuo Los modos de operacin por lote, son
modos discontinuos de operacin, el modo lote es comnmente llamado
discontinuo, mientras que el modo lote alimentado se conoce como discontinuo
alimentado a intervalos En nuestro caso, se utiliz el modo lote, en el cual, todas
las materias primas necesarias para producir (sustrato) se introducen al inicio de la
fermentacin, el objetivo es la produccin de un metabolito cuyo valor es mayor al
de la materia prima. Este cultivo se deja en operacin por un cierto tiempo (tiempo
de fermentacin). Al final de la fermentacin se recuperan los productos de inters
(Figura 5). Slo se utilizan cuando se requiere una cantidad pequea de producto.
60
MATERIAL
1 garrafn de 19 litros
1 tubo de 6 cm PVC pulgada
4 vlvulas de PVC pulgada
6 codos de PVC pulgada
1 cinta tefln
1 pegamento de tubo PVC.
1 motor de ventilador
1 varilla de cobre de 70 cm varilla
6 aspas de metal de 7/5
1 soldadura para material de cobre
4 tubos para puerta de 1.5 m.
4 tubos para puerta de 40 cm.
1 aireador
61
METODOLOGA
El diseo de los biorreactores es una tarea de ingeniera relativamente compleja y
difcil. Los microorganismos o clulas son capaces de realizar su funcin deseada
con gran eficiencia bajo condiciones ptimas. Las condiciones ambientales de un
biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxgeno, nitrgeno, dixido de
carbono, etc.), temperatura, pH, oxgeno disuelto y velocidad de agitacin o
circulacin, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.
Lo primero que hay que entender en el diseo de reactores biolgicos es que
contrario a los qumicos, su cintica no est determinada exclusivamente por la
velocidad de reaccin y las variables que la determinan. Aunque se puede
describir de manera similar a la qumica, la cintica biolgica tambin depende de
caractersticas intrnsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa
de divisin celular, as como del tipo de operacin que se lleve a cabo. Por eso, lo
primero que se define en el diseo de un biorreactor es el propsito de utilizacin;
es decir, qu tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de
cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes
objetivos:
1. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
2. Mantener constante y homognea la temperatura.
3. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.
4. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.
5. Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
6. Mantener el cultivo puro.
7. Mantener un ambiente asptico.
8. Maximizar el rendimiento y la produccin.
62
9. Minimizar el gasto y los costos de produccin.
10. Reducir al mximo el tiempo.
Lo primero que hay que entender en el diseo de reactores biolgicos es que
contrario a los qumicos, su cintica no est determinada exclusivamente por la
velocidad de reaccin y las variables que la determinan. Aunque se puede
describir de manera similar a la qumica, la cintica biolgica tambin depende de
caractersticas intrnsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa
de divisin celular, as como del tipo de operacin que se lleve a cabo. Por eso, lo
primero que se define en el diseo de un biorreactor es el propsito de utilizacin;
es decir, qu tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de
cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes
objetivos:
1. Mantener las clulas uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
2. Mantener constante y homognea la temperatura.
3. Minimizar los gradientes de concentracin de nutrientes.
4. Prevenir la sedimentacin y la floculacin.
5. Permitir la difusin de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
6. Mantener el cultivo puro.
7. Mantener un ambiente asptico.
8. Maximizar el rendimiento y la produccin.
9. Minimizar el gasto y los costos de produccin.
10. Reducir al mximo el tiempo.
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Actualmente, los tratamientos biolgicos han cobrado un gran inters en los
procesos de depuracin de aguas residuales. Su utilizacin se fundamenta en el
aprovechamiento de la capacidad de microorganismos para degradar, acumular,
adsorber, precipitar o volatilizar una gran variedad de contaminantes presentes en
aguas o efluentes. Una etapa que juega un importante rol en el desarrollo de estos
procesos, es el diseo de los biorreactores o reactores biolgicos.
Los factores que pueden afectar los resultados del proceso son:
Las caractersticas del efluente que se alimenta (porcentaje de slidos,
presencia de cloro, etc.).
La cintica de crecimiento bacteriano y de transformacin de los lodos.
La composicin de la poblacin bacteriana en el biorreactor
La calidad de la materia orgnica que se aade al proceso.
El funcionamiento estable del reactor depender de los siguientes factores:
Concentracin de los compuestos necesarios para el crecimiento y
actividad bacterianas (nutrientes y sustratos).
Mantencin de parmetros fsico-qumicos (temperatura, pH) del medio en
rangos relativamente limitados para que la actividad de los
microorganismos sea ptima.
Diseo del sistema para que sea capaz de resistir variaciones de las
condiciones normales de operacin.
Agitacin que impida:
a) La formacin de zonas de lodos sin tratar.
b) Que no disminuya significativamente el tamao de los flculos.
Al disear un bioreactor se debe de tener en cuenta las caractersticas del proceso
a realizar, asegurar las condiciones necesarias para el crecimiento de los
microorganismos y la obtencin del producto final deseado.
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IMAGEN 6. RECIPIENTE A UTILIZAR IMAGEN 7. ADAPTACIN DEL DISEO
IMAGEN 8 Y 9. ADAPTACIN DEL DISEO
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IMAGEN 10 Y 11. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE PARA SU
POSTERIOR CORTE
IMAGEN 12 Y 13. LIMPIEZA DEL RECIPIENTE DESPUS
DEL CORTE PARA INSERTAR LAS ASPAS.
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BIBLIOGRAFA
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf
http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/content/0/Clase%206%20.pdf
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169818107002
http://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdf
http://www.criba.edu.ar/cinetica/reactores/CAPITULO%208.pdf
http://biologia.laguia2000.com/biotecnologia/que-es-un-biorreactor
http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/fbiorects.pdf
http://somib.org.mx/rmib/pdfs/Vol24/No1/6.pdf
http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/i-142.pdf