0

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LA MONTAÑA

INGENIERÍA AMBIENTAL

FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES

DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN BIORREACTOR

ING.LETICIA ANGÉLICA FLORES PÉREZ

INTEGRANTES:

MARIA LUISA BASURTO RAMÍREZ NADIA ASTRID SÁNCHEZ ORTEGA

DULCE POLICAO PINZÓN OLIVERIA MARCOS CHINO AIDA MARTINEZ DE JESUS

CELIA MELO MARTÍNEZ ALICIA HERRERA CEBALLOS

BLANDINA RODRIGUEZ MARTINEZ YANET GALINDO CANDIA

MIGUEL JOSUÉ RAMIREZ CID GUSTAVO PABLO TEPEC ESTEBAN REYES FLORES ÁNGEL CASTRO GARCIA TOMAS PEREZ FLORES

JESUS GONZÁLEZ ENCARNACIÓN DARWIN DE LA CRUZ MARTINEZ ARISTEO DE LA CRUZ PINZÓN

CARMELA MARTINEZ TAPIA

TLAPA DE COMONFORT, GUERRERO A 16 DE MARZO DE 2015.

1

ÍNDICE

Introducción…………………………………………………...……………2

Objetivos generales.............................................................................3

Objetivos Específicos………………………………………...…….3

Planteamiento del problema……………………………………………..4

Justificación……………………………………………………………...…5

Hipótesis…………………………………………………………………….6

Marco teórico…………………………………………………………...…..7

× CAPITULO I.- El reactor de tanque agitado continuo………...7

× CAPITULO II.- Consideraciones previas para el modelado….8

Material y métodos…………………………………………………….…11

Anexos................................................................................................13

Bibliografía……………………………………………………………...…15

2

INTRODUCCIÓN

Un biorreactor es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología

industrial. Es un recipiente donde se realiza el cultivo, su diseño debe asegurar un

ambiente uniforme y adecuado para la reproducción y el hábitat de los

microorganismos.

Las tareas que debe desempeñar el biorreactor, se resumen en:

1.- Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del

cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación.

2.- Mantener constante la temperatura.

3.- Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

4.- Suministrar oxigeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo.

5.- El diseño 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 esté

provisto de un sistema de agitación, a demás para el punto (4) se requiere de un

sistema que inyecte aire en el cultivo.1

1 Proyecto de un biorreactor, consultado en: https://prezi.com/ug3unzcduzvn/proyecto-biorreactores/. 28/03/2015.

3

OBJETIVOS GENERALES

Diseñar un biorreactor de acuerdo a las caracteristicas que conlleva para su

elaboracion con condiciones adecuadas para su funcionamiento.

Diseñar y construir un biorreactor para obtener los lodos activados del agua

residual domestica.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aportar el desarrollo de un proyecto que ayude a la automatización de los

procesos llevados acabo en este biorreactor.

Promover una fuente de conocimiento practico 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, etcétera.

Lograr una buena agitacion

Lograr revoluciones por minuto de 65 como máximo

Que los lodos sean aereados y mezclados completamente

Que el tanque mantenga una concentracion de microorganismos

Que los lodos en exceso sean tratados y eliminados

4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La presencia de nutrientes en aguas residuales domésticas (ARD) puede constituir

un problema no siempre de fácil solución. En términos generales la mayor parte de

los componentes presentes en una ARD son materia orgánica e inorgánica,

nutrientes y microorganismos; con relación a los nutrientes nitrógeno y fósforo, se

destaca el problema de la eutrofización que puede causar daños al cuerpo receptor,

pudiéndose enumerar: problemas estéticos y recreacionales, condiciones

anaeróbicas en el fondo, eventual mortalidad de peces, mayor dificultad y elevación

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, reducción en la navegación y capacidad de transporte,

consumo de oxígeno disuelto, entre otros.

En función de esto se hace necesario que sean investigadas tecnologías de

acondicionamiento de aguas residuales, económicas y sustentables, que a

diferencia de las estaciones de tratamiento convencionales centradas solo en la

eliminación de materia orgánica y organismos patógenos incluyan la remoción de

nutrientes. Por lo tanto, la atención en los últimos años se ha enfocado hacia el

desarrollo de sistemas de depuración más efectivos, siendo en la práctica incluidos

procesos terciarios a las estaciones de tratamiento y/o implementación de procesos

continuos con eliminación de carga orgánica y nutrientes.

5

JUSTIFICACIÓN

Como una alternativa a estos sistemas de tipo continuo se ha utilizado sistemas de

tratamiento biológico de lodos activados de flujo discontinuo, donde las fases de

reacción y decantación se realizan en un solo tanque llamado Reactor Biológico

Secuencial (RBS), eliminando de esta forma la necesidad de decantadores y de

instalaciones de recirculación de lodo. En un RBS las fases de tratamiento del agua

residual se producen a lo largo de un período de tiempo definido llamado ciclo, que

una vez finalizado se vuelve a repetir de manera sistemática. Cada ciclo comprende

una serie de fases que se suceden en el tiempo, según las características del

tratamiento. Entre las ventajas que proporcionan los RBS se destacan: flexibilidad

para adaptarse a las características del agua residual afluente, como las

fluctuaciones de caudal, permitiendo ajustar la duración de los ciclos; reducción de

los costos en relación a procesos continuos, ocupan poco espacio físico y

posibilidad de remoción conjunta de materia orgánica y nutrientes en un único ciclo

de operación.

Teniendo en cuenta lo expuesto se desarrollo esta investigación con el objetivo de

estudiar la aplicabilidad de un RBS en la eliminación de nutrientes y materia

orgánica de un agua residual doméstica, determinando la influencia de la variación

del tiempo de duración de las fases que conforman los ciclos de tratamiento y de la

edad de lodo en dichos procesos.

6

HIPÓTESIS

Mediante el diseño y la elaboración de un biorreactor se busca mantener ciertas

condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno,

etcétera) deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas las condiciones

para los microorganismos que se desean tratar en el biorreactor.

7

MARCO TEÓRICO

CAPITULO I.- EL REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO

El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una

agitación 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

condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida

no sea demasiada viscosa.

El propósito de lograr una buena agitación 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 reacción, y que no existan o

queden espacios muertos.

Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perf a, si el tiempo de circulación

de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del

tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor.

En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B.

Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa

de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de

estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:

Las pérdidas de calor circundantes son despreciables

Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas

de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes

Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presión

y temperatura son iguales en cualquier punto del tanque

8

Temperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enf ento y/o

calentamiento)

Volúmenes 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 producción óptima 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 alimentación).

Debido a que los CSTR son comúnmente la parte central de un proceso químico

completo, el control de la operación del CSTR ha sido uno de los problemas más

importantes en la industria química.

La regulación de temperatura es la operación de control más sencilla de los CSTR.

La mayoría de controladores de temperatura en la industria química son

controladores PI clásicos. Existen muchas razones para esto, incluyendo sus

antecedentes de operación probada, el hecho que se entra de bien el

funcionamiento por parte de los técnicos, operadores industriales y personal de

mantenimiento. Además, en muchas aplicaciones, el hecho que un controlador PI

diseñado adecuadamente y bien sintonizado logre o excede los objetivos de control.

CAPITULO II.- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL MODELADO

Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara a través

del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de nuestro estudio debemos tener

las siguientes consideraciones:

Las pérdidas de calor circundantes son despreciables

Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas

de los reactantes y los productos son ambos iguales y onstantes

Mezcla perfecta en el Reactor

Temperaturas Uniformes en ambas Cámaras

9

Volúmenes Constantes V, Vc

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones definamos las variables y los

parámetros para nuestra planta o proceso.

Variables independientes (variables de entrada):

- Flujo del Producto A: f (t)

- Flujo del Líquido Refrigerante: fc (t)

Variables dependientes (variables de salida):

- Concentración del Producto Sobrante A: cA (t)

- Temperatura en el Reactor: T (t)

- Temperatura del Líquido Refrigerante: Tc (t)

Perturbaciones medibles:

- Concentración del producto A en la entrada del Reactor cAi (t)

- Temperatura de Entrada del producto A: Ti (t)

- Temperatura del Líquido Refrigerante a la Entrada: Tci (t)

Parámetros del proceso

10

11

MATERIAL Y MÉTODOS

Para la elaboración de esta investigación se empleó un RBS a escala piloto para

tratar agua residual doméstica proveniente de la zona norte de la ciudad de

Maracaibo, Estado Zulia (Venezuela). El sistema de tratamiento mostrado en la

figura 1, se encontraba conformado por un tanque reactor en forma cilíndrica de 72

cm de altura, diámetro variable y capacidad de 120 litros; arreglo de válvulas de

compuerta dispuestas a diferentes alturas del tanque reactor con la finalidad de

descargar el agua tratada; tres bombas de dos salidas con sus respectivos difusores

para el suministro de oxígeno en la etapa de aeración; mezclador de acero con eje

de rotación de 50 cm provisto de una hélice de dos hojas de aluminio y conectado

a un motor de 40-45 rpm. El lodo utilizado para dar partida al sistema fue obtenido

de una estación de tratamiento de aguas residuales domésticas ubicada en el

Municipio Miranda de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo (Venezuela), el cual

se aclimató a las condiciones del sistema estudiado a través de ciclos continuos de

carga y descarga de agua residual al reactor conformado por etapas de aireación,

mezclado, reposo y purga, con el propósito de estabilizar y aclimatar el lodo, este

período se prolongo por un mes considerándose completamente adaptada la

biomasa cuando se logró mantener.

La concentración de los sólidos suspendidos volátiles (SSV) en aproximadamente

2000 mg/l, para un volumen de licor mixto de 100 litros. En cuanto al proceso de

tratamiento en el RBS estuvo constituido por las etapas de: llenado o alimentación,

anaerobia, aerobia, anóxica, sedimentación y vaciado (figura 1). El estudio fue

dividido en cuatro fases en las que se modificó la carga orgánica y la duración de

las etapas anaerobia, aerobia y anoxica, con el objetivo de evaluar la eficiencia del

sistema en la remoción de materia orgá- nica y nutrientes considerando edades de

lodo de 10 y 7,5 días. Durante las Fases I y II se operó el sistema con bajos valores

de carga másica, de 0,364 y 0,220 kg.DQO/kg.SSV.dia, mientras que durante las

Fases III y IV se emplearon cargas mayores, de 0,665 y 0,737 kg.DQO/kg.SSV.dia

respectivamente. En la tabla 1 se describe la duración de estas etapas y el número

12

de ciclos de tratamiento para cada una de las fases consideradas. Los análisis para

la caracterización del agua residual y durante las distintas etapas del proceso

tratamiento descritos en la tabla 2 se realizaron de acuerdo a la metodología

descrita por el Standard Methods of Water and Wastewater [APHA, AWWA, WEF,

2005].

NOTA:

Este biorreactor presentara cambios puesto que el presupuesto económico no

alcanza buscando otro tipo de materiales mas accesibles. El fundamento teorico

será el mismo solo cambiaran los materiales que se utilizaran.

13

ANEXOS

Diseño del biorreactor que se estaba realizando.

14

Fig. 1,2,3 : Limpieza y corte del biorreactor (recipiente de metal que anteriormente era un soplador).

Fig. 4 : Equipo de trabajo explicando el diseño de biorreactor a quienes prestaran material de soldadura.

Fig. 5: Medición de la flecha que contendrá las aspas del biorreactor.

15

BIBLIOGRAFÍA

http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf

http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/co

ntent/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