Modelización de la Sedimentabilidad de los Fangos Activados
Paola Duque Sarango(1)
Docente UPS- Quito, Ecuador. Teléfono E-Mail: [email protected] [email protected]
Primeras Jornadas Nacionales de Estudiantes en Ciencias Ambientales
Riobamba.- 30-31 de enero de 2014
2
1. INTRODUCCIÓN
Reactor BiológicoDecantadorSecundario
Influente Efluente
Recirculación de fango
Purga
Reactor BiológicoDecantadorSecundario
Influente Efluente
Recirculación de fango
Purga
Sedimentación zonal
• F.A. la separación de los sólidos decantador secundario la sedimentación zonal.
• Los flóculos, independientemente de su tamaño, sedimentan todos a la misma velocidad, manteniendo la posición relativa entre ellos.
• La velocidad de sedimentación zonal es inversamente proporcional a la concentración de sólidos suspendidos del fango
separación física por acción de la gravedad de partículas en suspensión / ρpart> ρaguaSEDIMENTACIÓN:
3
ensayo de sedimentabilidad de batch
distinguir cuatro
regímenes de sedimentación
distintos:
B-C) Etapa de sedimentación zonal
Existe una interfase entre el fango y el sobrenadante.
Las partículas se mueven como un bloque conservando sus posiciones relativas.
2. BASE CIENTÍFICO – TEÓRICA
4
COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN
Coagulación: desestabilización eléctrica de las partículas en suspensión cargadas electrostáticamente.
Floculación: en la formación de flóculos por la colisión y adherencia entre partículas coaguladas.
Solubilidad en el equilibrio de Fe(OH)/s)
Química de coagulación con sales de hierro
En disolución acuosa los cationes metálicos Fe3+, se hidrata con 6 moléculas de agua Me(H2O)6 3+.
El ion acuometálico hidrolizarse y formar especies cuya formación depende del pH:• cargadas positivamente: Me(OH)2+,
Me(OH)2 4+, Me (OH)2
+ , Me (0H)4 5+
• neutras: Me(OH)3
• cargadas negativamente: Me(OH)4-.
5
EFECTO DE LAS SALES DE HIERRO EN LA SEDIMENTACIÓN DE LOS FANGOS ACTIVADOS
Relación entre la sedimentabilidad (DSVI) y dosis de hierro.(Jang, 2006).
Estudios Empeoran o mejoran la sedimentación de los F.A.
Concentraciones adecuadas de Fe (III) mejora la capacidad del fango activado para retener partículas y materia coloidal en los flóculos, pero que el exceso de dosis de Fe (III) debilita el proceso (Li, 1999)
Afirman que las sales de Fe dosificadas en F.A., mejoran las propiedades de los flóculos (controlando el bulking) (Gregorio, et al., 2010)
Efecto de la dosis de coagulante en la sedimentación (Fe-P) (Gregorio, et al., 2010)
6
3. OBJETIVO
Se planteó como objetivo general de investigación: “Estudio de la influencia de la adición de cloruro férrico en la sedimentabilidad de los fangos activados”.
7
3.1 ENSAYOS PARA DETERMINAR VELOCIDADES DE SEDIMENTACIÓN ZONAL Y SU MODELIZACIÓN
SS (g/L)Vs
(cm/min)
0,676 12,2210,988 9,0121,016 8,9241,608 4,8082,644 3,0434,796 0,178
OriginalVol fango = 1LVol sobren = 0 L
Dilución: 0,8Vol fangoanterior = 0,8 LVol sobren = 0.2 L
Dilución: 0,5Vol fangoanterior = 0,5 LVol sobren = 0,5 L
Dilución: 0,35Vol fangoanterior = 0,35 LVol sobren = 0,65 L
Concentración: 200%Vol fangoanterior = 2 LVol concetrado = 1 L
Fango Originalen agitación
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
0
20
40
60
80
100
120
6,3443,8322,7782,241,872
Tiempo (min)
Alt
ura
(cm
)
tiempo (min)
altura
(cm)
0 2 4 6 851
61
71
81
91
101
tiempo (min)
Resid
uo es
tuden
tizado
0 2 4 6 8-2,2
-1,2
-0,2
0,8
1,8
2,8
1 2 3 4 50
2
4
6
8
1 0
1 2
S S g l
Vse
dcmmin
Programa Mathematica 7.0 de Wolfram Research
Programa Statgraphics 16.1.15
4. METODOLOGÍA
8
3.2 ENSAYOS CON PROCESOS DE COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN APLICANDO CLORURO FÉRRICO A DISTINTAS DOSIS
Sólidos suspendidos (SS)
pH
Conductividad
Temperatura
Turbidez
Hierro y Fosfatos
A) Adición de cloruro férrico sin
ajustar el Ph.
B) Adición de cloruro férrico
ajustando el pH a 6, 7 y 8 durante
el proceso de coagulación
C) Adición del cloruro férrico
previamente neutralizado a pH
7.
Coagulación=120 rpm/1 min.
Floculación = 25 rpm/20 min.
0.00 20.00 40.00 60.0023
25
27
29
31
33
0 2
4 6
8 10
Tiempo (min)
Alt
ura
(cm
)0.0 1000.0 2000.0 3000.0
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
Dosis Fe (mg/L)V
el
sedi/
Vel
sedo
4.1 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE Cl3Fe EN LA VEL. DE SEDIMENTACIÓN DEL F.A. Y EN LA CALIDAD DEL SOBRENADANTE
Adicción de cloruro férrico sin ajustar el pH
A concentraciones adecuadas de Fe3+, se mejora la velocidad de sedimentación del fango activado
0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Dosis Fe (mg/L)
V.s
ed (
cm/m
in)
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
10
0.0 300.0 600.0 900.0 1200.01500.01800.02100.02400.02700.03000.00
1
2
3
4
5
6
7
8
f(x) = − 0.00797446985048166 x + 6.90969162995593R² = 0.950426332531694
pHfinpH0
DOSIS (mg Fe3+/L)
pH
Cantidades de 0 a 50ml/l (0 a 2817,4 mg Fe/L) el pH varió aproximadamente de 7 hasta 2
Dos regiones de comportamiento:
1. El pH desciende linealmente, al ↑ la dosis de coagulante2. El pH se mantiene estable alrededor de un valor de pH=2,5 para
dosis superiores a 281 mg Fe /L de la solución.
Análisis del Sobrenadante: pH
el pH considerablemente = comprometer el proceso biológico. No viable.
11
0.0 500.0 1000.0 1500.00.000
0.500
1.000
1.500
2.000
Fe total (mg/l))
V.s
ed (
cm
/min
)
0.000 50.000 100.000 150.0000.000
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
f(x) = 0.0470572625979143 x + 0.379925016687781R² = 0.924759335767615
Dosis Fe (mg/L)/SS(g/L)
Vel
sedi/
Vel
sedo
Adición del cloruro férrico previamente neutralizado a pH 7.
La vel. de sedimentación crece linealmente respecto de la dosis.
Inicialmente: ↑ la vel. de sedimentación al ↑ la dosis de
coagulante. Luego: la vel. de sedimentación
12
•pH
0 5 10 15 20 256
6.5
7
7.5
8
pH0
pHfin
Dosis FeCl3 (ml)
pH
0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.00
0.050.1
0.150.2
0.250.3
0.35 24/11/2011
Dosis Fe (mg/L)
Fe 3
+ (
mg/L
)
•Fe3+ en el sobrenadante
•Turbidez residual en el sobrenadante
0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.002468
10121416 24/11/2011
Dosis Fe (mg/L)
Tu
rbid
ez
(NT
U)
•Eliminación de fósforo en los fangos activados
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.00
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5 24/11/2011
Dosis Fe (mg/L)
PO
4-
(mg/L
)
Sobrenadante ajustado previamente el pH del FeCl3 a 7.
13
0.0 1000.0 2000.0 3000.00.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
06/10/2011 (SSo = 3,5 g/L)
14/10/2011 (SSo = 3,5 g/L)
Dosis Fe (mg/L)
Vel
sedi/
Vel
sedo
Comparación del comportamiento de la velocidad de sedimentación del fango activado.
0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0
0.5
1.0
1.5
18/11/2011 (SSo = 2,2 g/L)
18/11/2011 (SSo = 3,7 g/L)
14/11/2011 (SSo = 2,17 g/L)
Dosis Fe (mg/L)
Vel
sedi/
Vel
sedo
0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
24/11/2011 (Sso = 2,7 g/L) Ph:8
18/11/2011 (SSo = 3,1 g/L) Ph:6
Dosis Fe (mg/L)
Vel
sedi/
Vel
sedo
0.0 1000.0 2000.0 3000.00.0001.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
28/11/2011 (SSo=4,88 g/L)
Fe total (mg/l))
Vel
sedi/
Vel
sedo
A) Coagulante aplicado sin corrección del pH
B) Coagulante aplicado corrigiendo el pH a 7 durante el proceso de coagulación
C) Coagulante aplicado corrigiendo el pH a 6 y 8 durante el proceso de
coagulación
D) Coagulante previamente neutralizado
14
SS (g/L)Vs
(cm/min)
1,8 6,880
3,3 0,482
3,8 0,346
5,2 0,150
Modelo de Richardson et. al.
2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 00
1
2
3
4
5
6
7
S S g l
Vse
dcmmin
R2= 0.998
Modelo Exponencial
2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 5 4 . 0 4 . 5 5 . 00
1
2
3
4
5
6
7
S S g l
Vse
dcmmin
R2=0.999
SS)( = S
V 65.44.03.2 e = V SS
S7.12.136
0 92,5 185,0 277,5 370,0 462,5Dosis FeCl3
(mg/L)
representado para cada una de las dosis ensayadas la V. sed. en función de los SS:
4.3 MODELIZACIÓN DE LA VEL. DE SEDIMENTACIÓN DEL FANGO ACTIVADO CON ADICIÓN DE CLORURO FÉRRICO NEUTRALIZADO A PH 7
15
Relación de los parámetros del modelo de Richardson et. al.
4.4 RELACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LOS MODELOS CON LA DOSIS DE CLORURO FÉRRICO AÑADIDA
Los parámetros k y n de los modelos de Richardson et. al. y exponencial dependen de la concentración de dosis de Fe añadida
Reparametrizado la ecuación del modelo de Richardson et. al:
velocidad de sedimentación de los
flóculos en condiciones de Re pequeño, por
medio de la ley de Stokes
relacionado con la densidad y la porosidad de los flóculos del fango activado
16
Parámetro Vo
Vo =36.649-0.063dosis+0.0002dosis2
R2=0,961
Vo =34.0429+0.0338276 dosis
R2=0,787
TIPO ECUACIÓN
a (cm/mi
n)
ea (cm/mi
n)
b ((cm/min).(L/mg Fe))
eb ((cm/min).(L/mg Fe))
c (cm/min).(L/mg Fe)2
ec (cm/min)
(L/mg Fe)2)
R2SCR/N(cm/min)2
P-valor de a P-valor de b P-valor de c
Vo - dosis (polinomial)
36,6 2,2 0,06 0,03 2,09E-04 5,15E-05 0,961 111,464 3,52E-03 1,28E-01 5,57E-02
Vo - dosis (lineal)
34,0 3,0 0,03 0,01 0,787 457,079 1,48E-03 4,49E-02
el modelo cuadrático se ajusta mejor a los datos
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 02 0
3 0
4 0
5 0
6 0
D o s i s F e m g l
Vo
cmmin
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 02 0
3 0
4 0
5 0
6 0
D o s i s F e m g l
Vocmmi
n
17
Se ha considerado una relación lineal del parámetro j respecto de la dosis de cloruro férrico
Parámetro j
j =0.203-0.00004 dosis
R2=0,947
0 100 200 300 400
0.002
0.001
0.000
0.001
0.002
D osis F e mg lR
esid
uojlg
TIPO ECUACIÓN
a´ (cm/min)1/4,
65
ea´ (cm/min)1/4,
65
b´ (cm/min)1/4,65(L/mg
Fe)
eb´ (cm/min)1/4,65.(L/
mg Fe)
R2 SCR/N(cm/min)2
P-valor de a´
P-valor de b´
j - dosis (lineal) 0,202 0,002 4,07E-05 5,53E-06 0,947 1,35E-05 1,16E-06 5,19E-03
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 00 . 1 7
0 . 1 8
0 . 1 9
0 . 2 0
0 . 2 1
0 . 2 2
D o s i s F e m g l
jlg
18
Relación de los parámetros del modelo exponencial
k a una ecuación de tipo polinomial de orden dos
TIPO ECUACIÓN
a(cm/min)
ea (cm/min
)
b ((cm/min).(L/mg Fe))
eb ((cm/min).(L/mg Fe))
c (cm/min)(L/mg Fe)2
ec c (cm/min)(L/mg Fe)2
R2SCR/N(cm/min)2
P-valor de a P-valor de b P-valor de c
k - dosis (polinomio) 230,0 22,8 1,1 0,3 1,98E-03 5,39E-04 0,896 1217,330 9,68E-03 5,64E-02 6,69E-02
relación lineal de n frente a la dosis de cloruro férrico
TIPO ECUACIÓN a´(L2/(g SS.mg Fe))
ea´(L2/(g SS.mg Fe))
b´(L3/(g SS. mg Fe))
eb´(L3/(g SS. mg Fe))
R2 SCR/N(cm/min)2
P-valor de a´
P-valor de b´
n - dosis (lineal) 2,1 0,1 1,17E-03 2,19E-04 0,905 2,115E-02 6,08E-05 1,27E-02
Parámetro k Parámetro n
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0
5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
3 5 0
D o s i s F e m g l
kcmmin
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 01 . 4
1 . 6
1 . 8
2 . 0
2 . 2
2 . 4
2 . 6
D o s i s F e m g l n
lg
19
• Modelo de Richardson et. al. propuesto:
• Modelo Exponencial propuesto:
Para la depuradora de aguas residuales estudiada
Para la depuradora de aguas residuales estudiada
↑la dosis de coagulante ↑la velocidad de sedimentación del fango activado.
Vo depende de la densidad y del diámetro de los flóculos. Al ↑la dosis de coagulante ↑la densidad de los flóculos y por tanto ↑la velocidad de sedimentación
20
5. CONCLUSIONES
La adición de FeCl3 sin ajustar el pH mejora la velocidad de sedimentación zonal. Produce un descenso brusco en el pHinviable el proceso biológico de F.A.
La adición de FeCl3 ajustando el pH a 7 y 8 (coagulación) empeora la sedimentabilidad del fango. Si se ajusta el pH a 6 se produce una mejora de la velocidad de sedimentación zonal.
21
Cuando se añade FeCl3 previamente neutralizado al F. A. (de 0 a 500 mgFe/L):
Supone una notable mejoría en la velocidad de sedimentación del fango.
Para una concentración constante de SS la velocidad de sedimentación aumenta linealmente con la dosis de Fe añadida.
El incremento de la velocidad de sedimentación con FeCl3
neutralizado es incremento de la densidad de los flóculos, junto con la desestabilización del fango producida por la adición del coagulante.
La calidad del sobrenadante mejora con la adición del coagulante.
Se han obtenido dos modelos matemáticos describir la velocidad de sedimentación zonal en función de la concentración de S.S. de los fangos y de la dosis de FeCl3 añadida.
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6. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO
Los parámetros del modelo de Richardson et. al., Vo y j, con las características de los flóculos del fango activado. Una línea de investigación Medir experimentalmente el tamaño, la densidad y la porosidad de los flóculos para incluir estas variables en el modelo.
Estudiar además del efecto físico que supone el incremento en la densidad de los flóculos, el efecto químico en el ↑de la velocidad de sedimentación (los procesos de desestabilización que tienen lugar entre las sustancias poliméricas extracelulares del fango activado, y el Fe3+ y los complejos hidroxometálicos formados)
Uso de otros coagulantes y/o polielectrolitos. En la bibliografía la sedimentabilidad del fango índices como el IVF o el IVFA. Util disponer de modelos matemáticos que permitieran diseñar y simular decantadores secundarios teniendo en cuenta la adición de coagulantes y/o polielectrolitos
23
Gracias…