TRATAMIENTO SECUNDARIO: EL PROCESO DE LODOS ACTIVOS

R. S. Ramalho

1. INTRODUCCIN La expresin tratamiento secundario se refiere a todos los procesos de tratamiento biolgico de las aguas residuales tanto aerobios como anaerobios. En este captulo se estudia detalladamente el proceso de lodos activos y los modelos matemticos desarrollados pueden aplicarse, con pequeos cambios, a todos los procesos aerobios descritos en el capitulo 6. El proceso de lodos activos ha sido utilizado para el tratamiento de las aguas residuales tanto industriales como urbanas desde hace aproximadamente un siglo. El diseo de las plantas de lodos activos se llev a cabo fundamentalmente de una forma emprica. Slo al comienzo de los anos sesenta se desarrolla una solucin ms racional para el diseo del sistema de lodos activos. Este proceso naci de la observacin realizada hace mucho tiempo de que si cualquier agua residual, urbana o industrial, se somete a aireacin durante un perodo de tiempo se reduce su contenido de materia orgnica, formndose a la vez un lodo floculento.

Fig. 5.1. Proceso convencional de lodos activos (Vase el cuadro 5.l, donde se definen los smbolos).

El examen microscpico de este lodo revela que est formado por una poblacin heterognea de microorganismos, que cambian continuamente en funcin de las variaciones de la composicin de las aguas residuales y de las condiciones ambientales. Los microorganismos presentes son bacterias unicelulares, hongos, algas, protozoos y rotferos. De stos, las bacterias son probablemente las ms importantes encontrndose en todos los tipos de procesos de tratamiento biolgico. El objetivo de este captulo es discutir los principios de diseo del proceso de lodos activos y aplicarlos al proyecto de plantas de tratamiento. Ello supone el desarrollo de la informacin fundamental de diseo a partir de reactores a escala de laboratorio. La solucin utilizada se basa principalmente en el trabajo de Eckenfelder y colaboradores. El proceso de lodos activos se ha desarrollado como una operacin continua mediante el reciclado de lodo biolgico. En la figura 5.1 se presenta un diagrama de flujo del proceso. Todas las variables importantes del proceso estn indicadas en dicha figura 5.1 y definidas en el cuadro 5.1. Ambos deben examinarse cuidadosamente por el lector.

CUADRO 5.1

En la figura 5.1, las composiciones de las diferentes corrientes (numeradas del 1 al 7) estn caracterizadas por tres tipos de concentraciones:

1. Concentracin de la DBO soluble. Se simboliza mediante Si en la que el subndice i indica la corriente especfica de que se trate, como se muestra en el cuadro 5.1. La DBO soluble est formada principalmente por compuestos carbonosos en disolucin. Debe hacerse hincapi en que el diseo de las plantas de lodos activos se basa en el consumo de la DBO soluble. Este consumo es el resultado del proceso de oxidacin biolgica que se presenta en el reactor. Por otra parte, la DBO insoluble se separa mediante sedimentacin en los clarificadores primario y secundario. 2. Concentraciones de los slidos voltiles en suspensin (VSS).* Se denotan mediante el smbolo XV.i, en el que el subndice V se refiere a la caracterstica de volatilidad y el subndice i a la corriente especfica de que se trate (cuadro 5.1). Los slidos voltiles en suspensin corresponden a los lodos biolgicos, constituidos por una poblacin heterognea de microorganismos. La determinacin experimental de los VSS se lleva a cabo midiendo la prdida de peso de los slidos totales en suspensin despus de incineracin en una estufa de laboratorio a 600C. Esta prdida de peso corresponde principalmente a la volatilizacin del lodo biolgico. Los slidos remanentes despus de la incineracin a 600 C corresponden a los slidos en suspensin no voltiles. Su naturaleza es distinta de la de los lodos biolgicos, estando constituidos por materia inerte tanto orgnica como inorgnica.

* El estudioso de habla castellana se ha familiarizado de tal manera con las expresiones VSS y MLVSS que se ha preferido mantenerlas en esta versin.

3. Concentraciones de slidos no voltiles en suspensin (NVSS). Se indican mediante el smbolo XNV.i, en el que NV hace referencia a la no volatilidad de los slidos, e i indica la corriente especfica de que se trate. Por consiguiente:

A continuacin se describe el diagrama de flujo de la figura 5.1. prestando especial atencin a las concentraciones de (1) DBO soluble, (2) slidos voltiles en suspensin y (3) slidos no voltiles en suspensin, de las diferentes corrientes.

1. DBO soluble. La alimentacin inicial, esto es, el agua residual a tratar [corriente 11, penetra en el proceso con un valor de la DBO soluble que se indica por SF. El objetivo del tratamiento es reducir este valor a Se (DBO del efluente en la corriente 4) mediante oxidacin por degradacin biolgica aerobia de la materia orgnica del agua residual. En el proceso convencional de lodos activos se logra normalmente una reduccin de la DBO de 5 a 15% de su valor en la alimentacin inicial, esto es, Se = 5-15% de SF. Esto significa un rendimiento en el consumo de DBO soluble del 85 al 95%. La alimentacin inicial se combina con lodo reciclado [corriente 7] y entra en el reactor (alimentacin combinada, corriente 2). El RFCTA (reactor de flujo continuo en tanque agitado) ser el utilizado en este captulo como modelo de reactor biolgico a no ser que se indique lo contrario. En la seccin 12 se presenta una discusin de los modelos de reactores biolgicos. Las dos suposiciones fundamentales de los RFCTA son (1) rgimen estacionario y (2) condiciones de mezcla completa. El lodo biolgico, DXV se forma continuamente en el reactor. La concentracin de DBO soluble en el lquido del reactor se simboliza por Se Bajo condiciones de estado estacionario y mezcla completa la concentracin de la DBO soluble en el efluente del reactor [corriente 3] es asimismo igual a Se. El efluente del reactor pasa al clarificador secundario tal como se indica en la figura 5.1. La concentracin de DBO soluble es la misma en la descarga del clarificador [corriente 5] y en el efluente final [corriente 4]. esto es, Se. La descarga del clarificador se divide en dos corrientes: purga [corriente 6] y lodo reciclado [corriente 7]. Para estas dos corrientes, la concentracin de DBO soluble tiene el mismo valor, Se La corriente de lodo reciclado se combina con la alimentacin inicial para formar la alimentacin combinada. La concentracin de DBO soluble en la corriente combinada se denota por So y se calcula mediante un balance de materia en el punto de conjuncin de las corrientes 1.2 y 7. Este balance se desarrolla en la seccin 7.2.2. 2. Slidos voltiles en suspensin (VSS). En rgimen estacionario, la concentracin de lodo biolgico en el reactor se mantiene constante en todo momento. En el proceso convencional de lodos activos esta concentracin, simbolizada por XV.a, en la que el segundo subndice a se refiere al reactor aireador, est comprendida normalmente entre 2.000 y

3.000 mg/l. Ya que se trabaja bajo condiciones de mezcla completa en el reactor, los slidos en suspensin en l corresponden a MLVSS (slidos voltiles en suspensin en el licor mezclado). Anlogamente, los slidos en suspensin no voltiles en el reactor, estando tambin completamente mezclados, se indican por MLNVSS (slidos no voltiles en suspensin en el licor mezclado). Los slidos totales en suspensin en el reactor se indican mediante MLSS (slidos en suspensin en el licor mezclado). Por lo tanto :

La concentracin de VSS en la alimentacin inicial (XV.F) es despreciable en muchos casos, ya que en esta etapa no se ha efectuado una cantidad apreciable de aireacin. Los VSS se producen continuamente en el reactor debido a la sntesis de materia biolgica y se purgan continuamente en el efluente. Con objeto de mantener una concentracin constante de MLVSS en el reactor, la mayor parte de la descarga del clarificador se recicla a cabeza. La relacin de reciclado r se calcula mediante un balance de materia (seccin 7.4) que tiene en cuenta la necesidad del mantenimiento de la concentracin seleccionada XV.a de MLVSS dentro del reactor en todo momento. Debido a la sntesis de materia biolgica, hay una produccin neta de MLVSS en el reactor (DXV, kg/d). Por lo tanto, para mantener constante la concentracin de MLVSS en el reactor en todo momento, es necesario purgar del sistema una masa de MLVSS (kg/d) igual a esta produccin neta DXV. Esto se lleva a cabo principalmente mediante la purga intencionada de algo de lodo [corriente 6]. Algo de VSS se pierde tambin en el efluente final (QeXV.e). Aunque en la figura 5.1 se indica una purga continua, en la prctica esto se hace de una forma intermitente. Es ms sencillo plantear los balances de materia para la operacin en equilibrio; de esta forma en lo que resta de captulo se supone una purga continua. La purga intermitente supone operacin en rgimen no estacionario. Ya que la corriente de purga es normalmente pequea al compararla con el reciclado, la suposicin de purga continua no introduce un error apreciable en el balance de materia global. En la figura 5.1 el lodo se purga desde la corriente de reciclado (concentracin de VSS en la corriente de purga = XV.u). En la seccin 8.2 se discuten otras suposiciones posibles para la purga de lodos. La concentracin de VSS en el efluente del reactor [corriente 3] es XV.a, ya que se suponen condiciones de equilibrio y de mezcla completa. El efluente del reactor fluye al clarificador secundario. La descarga de

este ltimo [corriente 5] es un lodo que contiene una concentracin de VSS representada por XV.u (XV.u > XV.a). El valor de XV.u se selecciona durante el proyecto, diseando el clarificador para cumplir con el valor especificado. Normalmente XV.u tiene valores comprendidos entre 10000 y 15000 mg/l de VSS. Las concentraciones de VSS en la purga y en el lodo reciclado son asimismo iguales a XV.u. En el efluente final del clarificador secundario la concentracin de VSS (XV.e) es normalmente despreciable. ya que el clarificador se proyecta normalmente para una retencin de slidos aproximadamente del 100%. La concentracin de VSS en la alimentacin combiada XV.o, se calcula mediante un balance de materia en el punto de interseccin de las corrientes 1, 2 y 7. Este balance se presenta en la seccin 7.2.3. 3. Slidos no voltiles en suspensin (NVSS). La concentracin de MLNVSS en el reactor se indica por XNV.a y es igual a la existente en la alimentacin combinada y en el efluente del reactor. Esto es as debido a que se supone mezcla completa y a que no hay produccin de NVSS en el reactor (a diferencia de la produccin neta de VSS). Por ello

La concentracin de NVSS en la alimentacin inicial se designa mediante XNV.F y la del lodo reciclado por XNV.u (la misma que en la descarga del clarificador secundario). En la alimentacin combinada esta concentracin viene demostrada por XNV.o y se calcula mediante un balance de materia en la interseccin de las corrientes 1,2 y 7 tambin desarrollado en la seccin 7.2.3. Los NVSS del efluente del reactor se separan asimismo mediante sedimentacin en el clarificador secundario. La concentracin de NVSS en la descarga del clarificador se indica mediante XNV.u y la del efluente final, normalmente despreciable. se representa por XNV.e En el lodo purgado, los kilogramos por da de VSS se indican mediante (VSS)w. Este trmino incluye la produccin neta de VSS en el reactor (DXV) ms los VSS introducidos con la alimentacin inicial (QFXv.F) menos los VSS perdidos en el efluente final(QeXv.e). En la corriente de purga hay tambin NVSS, designados por (NVSS)w. Los balances de materia de (VSS)w y (NVSS)w se desarrollarn en la seccin 7.3. Las concentraciones respectivas de DBO soluble, VSS y MVSS son las mismas para la descarga del clarificador la corriente de purga y el lodo de reciclado, representadas respectivamente por Se, XV.u y XNV.u De un balance global de agua residual, ecuacin (5.1),

(5.1)

Los caudales de aguas residuales se expresan normalmente en m3/s (metros cbicos por segundo).* La relacin de reciclado r viene definida por

(5.2)

(5.3)

Ya que la alimentacin combinada Q es igual a la alimentacin inicial ms el reciclado,

(5.4)

* En los Estados Unidos los caudales se expresan en megagalones por da (MGD) y una conversin aproximada a m3/s es 1 MGD = 0,044 m3/s.

Por ello, la densidad de todas las corrientes lquidas de la figura 5.1 se supone igual a la del agua a la temperatura ambiente. Esto resulta una aproximacin suficiente ya que se trabaja con soluciones acuosas relativamente diluidas.

2. MODELOS MATEMTICOS DEL PROCESO DE LODOS ACTIVOS Es deseable representar este proceso mediante modelos matemticos y determinar entonces los parmetros utilizados en dichos modelos a partir de datos experimentales empleando una serie de reactores de laboratorio. Las relaciones correspondientes al desarrollo de estos modelos matemticos caen dentro de tres grupos: (1) relaciones cinticas: (2) balances de materia para la determinacin del consumo de oxgeno y de la produccin neta de MLVSS y (3) ecuaciones para calcular las condiciones ptimas de sedimentacin del lodo. 3. RELACIONES CINTICAS 3.1. Introduccin El estudio de la cintica del tratamiento biolgico aerobio conduce a determinar la velocidad a la cual los microorganismos degradan un residuo especifico y por lo tanto suministran la informacin bsica necesaria para desarrollar el tamao de los reactores biolgicos aerobios. Este estudio se lleva a cabo convenientemente en un reactor de laboratorio discontinuo. En la figura 5.2 se presenta un diagrama de cuatro unidades operando en paralelo, cada una de ellas con una capacidad de aproximadamente 2.0 1

[3]. Los reactores se construyen de plexigls. El agua residual conteniendo una siembra de microorganismos* se introduce en los reactores y se hace circular aire comprimido dentro del sistema. El lodo biolgico (MLVSS) se mantiene en un estado de mezcla completa debido a la agitacin proporcionada por el aire soplado en el sistema. Se determina la concentracin de sustrato, S, del agua residual (medida como DBO soluble o DQO, DTO, COT, etc.) a intervalos de tiempo seleccionados mediante extraccin de muestras para su anlisis. La masa de lodo biolgico acumulado (MLVSS) se determina asimismo en esos intervalos midiendo la concentracin de MLVSS en las muestras extradas y leyendo el volumen de liquido en el reactor indicado por la escala volumtrica. En la figura 5.3 se presentan curvas tpicas de disminucin de la concentracin de sustrato soluble S y variacin de la cantidad de MLVSS con el tiempo.

* La siembra puede ser una masa de lodo biolgico tomado de una planta de lodos activos en operacin o aguas negras decantadas.

Fig. 5.2 Reactor discontinuo.

La concentracin de sustrato soluble, S, del agua residual, que es una medida de la concentracin de materia orgnica decrece con el tiempo conforme dicha materia orgnica se oxida. Se alcanza un plat correspondiente a la cantidad de materia no biodegradable (Sn). Si se utiliza la DBO para medir la concentracin de sustrato, Sn = 0, ya que a tiempo infinito todo el sustrato biodegradable se oxda. Por otra parte, s se utiliza por ejemplo la DQO es posible tener Sn>0 correspondiendo a sustrato que no es biolgicamente biodegradable pero que puede oxidarse qumicamente mediante K2Cr2O7.

Fig. 5.3. Curvas tpicas de la concentracin de sustrato soluble y de los MLVSS en un reactor discontinuo.

La concentracin de MLVSS aumenta al principio (desde el tiempo 0 al tiempo tC) durante el periodo en el que una concentracin sustancial del sustrato se encuentra presente para proporcionar alimentacin abundante para mantener el crecimiento de microorganismos. Este crecimiento corresponde a sntesis de nuevas clulas de microorganismos, indicado en la figura 5.3 por fase de sntesis. Despus del tiempo tC, cuando la concentracin de sustrato ha disminuido considerablemente. no hay suficiente alimento para mantener el crecimiento de microorganismos. En este momento, los microorganismos empiezan a consumir sus microorganismos compaeros como alimento. Conforme avanza este festin canbal la concentracin de MLVSS desciende ya que la velocidad de destruccin de clulas de microorganismos excede la de sntesis de nuevas clulas. Esto corresponde a la fase de respiracin endgena. El mximo en la curva de MLVSS corresponde al tiempo tC, cuando estas dos velocidades son exactamente iguales. La distancia o corresponde a la reduccin neta de concentracin de MLVSS desde tC a tD. Existen dos diferencias fundamentales entre la operacin continua (fig. 5.1) y los reactores discontinuos (fig. 5.2): (1) en contra de lo que sucede en el reactor discontinuo, la DBO del agua residual en el reactor continuo opera en rgimen estacionario permaneciendo constante (Se). Esto corresponde generalmente a una concentracin baja de sustrato ya que el reactor biolgico se proyecta normalmente para consumir la mayor parte de la DBO influente. (2) Contrariamente a lo que sucede en el

reactor discontinuo, la concentracin de MLVSS en el reactor continuo, operando en condiciones estacionarias, se mantiene constante (XV.a) a un valor seleccionado. El mantenimiento de esta XV.a constante se obtiene proporcionando la cantidad calculada del lodo de retorno concentrado. El balance de materia de los MLVSS, necesario para alcanzar la relacin de reciclado requerida para este objetivo. se presenta en la seccin 7.4. Las lneas verticales A, By C de la figura 5.3 corresponden a condiciones tpicas de operacin de reactores continuos en los casos de tres importantes procesos que se describirn ms adelante en este libro. Los tiempos tA, tB y tC corresponden a valores tpicos para estos procesos en reactores continuos. La linea B corresponde al proceso convencional de lodos activos (capitulo 5). En este caso, hay una produccin neta de MLVSS (pendiente positiva de la curva MLVSS en el punto de su interseccin con la lnea B). Los valores en rgimen estacionario, Se y XV.a para el caso del reactor continuo operando con un tiempo de residencia tB corresponden a las intersecciones de la lnea B con las curvas de la DBO y de los MLVSS, respectivamente, y se encuentran normalmente dentro de los intervalos siguientes:

Se: correspondiendo a una reduccin de la DBO del 85 al 95%. XV.a: 2000-3000 mg/l

La lnea C corresponde al proceso de aireacin prolongada (capitulo 6, seccin 2). En este caso la produccin neta de MLVSS es tericamente nula (la tangente a la curva MLVSS es paralela al eje de abscisas). Los valores de equilibrio para XV.a, en el caso del reactor continuo que trabaja a un tiempo de residencia tC, corresponden a la interseccin de la lnea C con la curva MLVSS, y estn comprendidos en el intervalo de 3000-6000 mg/l. La lnea A corresponde al proceso de lodos activos a carga elevada (capitulo 6, seccin 4.4). En este caso la velocidad de consumo de sustrato dS/dt (pendiente de la tangente a la curva S en funcin de t) es apreciablemente ms elevada que la del proceso convencional de lodos activos. El intervalo normal para los valores de equilibrio de XV.a es inferior (600 a 1000 mg/l) y las reducciones de la DBO son del orden del 60 al 75% para el caso del reactor continuo que trabaja a un tiempo de residencia tC. Estos valores corresponden a las intersecciones de la lnea A con las curvas de MLVSS y S en funcin de t, respectivamente. Los datos cinticos obtenidos del reactor discontinuo se reflejan en la ecuacin de Mchaels-Menten que se estudia en la seccin 11. A continuacin se postulan dos corolarios importantes de esta ecuacin, utilizndose normalmente el segundo para el diseo del reactor biolgico en continuo.

1. A concentraciones elevadas de sustrato, el consumo del mismo sigue la cintica de las ecuaciones de orden cero. Esto significa que la velocidad de consumo es esencialmente constante e independiente de la concentracin de sustrato. Esta situacin se encuentra en las primeras etapas de la operacin del reactor en discontinuo cuando la concentracin de sustrato es todava muy alta (DBO elevada). Esto corresponde a la seccin de la curva de S en funcin de t (figura 5.3) desde tiempo cero basta aproximadamente t'. En esta regin, la tangente a la curva S en

funcin de t, que iguala a la velocidad de consumo de sustrato, dS/dt, coincide prcticamente con la curva (pendiente constante). 2. El consumo de sustrato a concentraciones bajas del mismo (correspondiente a valores de la DBO por debajo de los 500 mg/l) sigue una cintica de primer orden. Esto significa que la velocidad de consumo es proporcional a la concentracin de sustrato remanente, que corresponde aproximadamente a la seccin de la curva S en funcin de t comprendida entre los tiempos tA y tC. La pendiente de la curva de S en funcin del (que iguala a la velocidad de consumo de sustrato dS/dt) decrece con el tiempo conforme se rebaja la concentracin de sustrato. La representacin de estas pendientes frente a los valores correspondientes de S conducen a una relacin lineal que se discute en la seccin 3.2. Por ello, en esta regin, la velocidad de consumo de sustrato es directamente proporcional a su concentracin (cintica de primer orden).

La velocidad de consumo de sustrato para la seccin de la curva de S en funcin de t entre los tiempos t'' y tA se describe ms adecuadamente mediante una relacin cintica de un orden comprendido entre cero y uno. Este asunto se discute detalladamente en la seccin II de este capitulo. La mayora de los procesos aerobios estudiados en este libro se describen apropiadamente mediante una relacin cintica de primer orden. A no ser que se especifique lo contrario, la cintica de primer orden ser la que se postule para estos procesos. 3.2. Formulacin del reactor biolgico continuo Considrese el reactor biolgico continuo que opera bajo rgimen estacionario y mezcla completa (RFCTA), representado en la figura 5.4. El balance de materia del sustrato que entra y abandona el reactor puede escribirse como sigue:

(5.5)

Bajo rgimen estacionario, la concentracin de sustrato en el reactor permanece constante y por tanto el primer miembro de la ecuacin (5.5) desaparece, esto es:

(5.6)

Fig. 5.4. Diagrama simplificado del reactor continuo.

Los dos trminos del segundo miembro de la ecuacin (5.6) se refieren al consumo neto de sustrato debido a la accin hidrulica solamente y se definen como:

(5.7)

(5.8)

La velocidad de consumo de sustrato debida a la utilizacin por los microorganismos (degradacin aerobia) est dada por la pendiente, dS/dt de la curva de la DBO de la figura 5.3. Como la derivada dS/dt es intrnsecamente negativa, en lo que sigue se utilizar su valor absoluto, indicado mediante (dS/dt)a, esto es:

(5.9) Ya que el sustrato S se expresa en unidades de volumen (esto es, mg DBO5/1), el valor (dS/dt)a, debe multiplicarse por el volumen del reactor antes de su sustitucin en la ecuacin (5.6). Por lo tanto:

(5.10) La sustitucin de las ecuaciones (5.7), (5.8) y (5.10) en la ecuacin (5.6) conduce a:

(5.11)

de la que: (5.12)

Normalmente, la velocidad de consumo de sustrato se expresa por la unidad de masa de MLVSS presente en el reactor. Esta cantidad, representada por q se denomina velocidad especfica de consumo de sustrato, y se define mediante:

(5.13)

Combinando las ecuaciones (5.13) y (5.12):

(5.14) Sin embargo.

(5.15)

En consecuencia:

(5.16) La velocidad especifica de consumo de sustrato (So - Se)/XV.ath corresponde a la velocidad de consumo de sustrato en el reactor continuo por unidad de masa de MLVSS presente en el reactor. Las unidades son:

Para la aplicacin de la ecuacin (5.16), es necesario decidir qu modelo cintico se va a utilizar para (dS/dt)a. Se supondr que el consumo de sustrato sigue la cintica de primer orden, esto es:

(5.17) Tal como se indica en la seccin 3.1, esta suposicin es vlida abajas concentraciones de sustrato, que es normalmente el caso del reactor biolgico continuo en condiciones de mezcla completa. En los casos en que la suposicin de cintica de primer orden no sea adecuada, debe utilizarse la expresin general de (dS/dt)a, dada por la ecuacin de Mchaels-Menten. Este caso general se discute en la seccin 11 de este capitulo. Bajo la suposicin de la cintica de primer orden, la sustitucin de (dS/dt)a dada por la ecuacin (5.17) en la ecuacin (5.16) conduce a:

(5.18) Ya que la concentracin de MLVSS en equilibrio (XV.a) viene fijada por una operacin especifica del reactor continuo, la relacin K/XV.a es una constante que se denotar mediante k, esto es:

(5.19)*

* Obsrvense las dimensiones de q, k y K. De la ecuacin (5.16), ya que (So - Se) y XV.a vienen dadas en mg/l, se concluye que q tiene dimensiones de tiempo-1 (esto es, d-1, h-1). Una consideracin similar para la ecuacin (5.17) demuestra que K tiene tambin dimensin de tiempo-1 (esto es,, d-1, h-1). Por otra parte, de la ecuacin (5.19) se concluye que k debe venir expresada en d-1 x 1/mg o h-1 x 1/mg.

En consecuencia. la ecuacin (5.18) se transforma en:

(5.20)

La ecuacin (5.20) indica que la velocidad especfica de consumo de sustrato es proporcional a la concentracin de sustrato (cintica de primer orden). La constante de velocidad de consumo k (d-1 x 1/mg) se determina de acuerdo con la ecuacin (5.20) mediante una representacin de (So - Se)/XV.ath en funcin de Se. La figura 5.5 muestra una grfica de los datos obtenidos en cuatro reactores continuos de laboratorio trabajando en condiciones de equilibrio. En la seccin 6.4 (ejemplo 5.1) se presenta una aplicacin numrica.

Los datos representados en la figura 5.5 conducen a una lnea recta que pasa por el origen, suponiendo la aplicabilidad del modelo matemtico de la ecuacin (5.20). El primer miembro de la ecuacin (So - Se)/XV.ath desaparece conforme th se acerca al infinito (tiempo de residencia infinito). En consecuencia, el trmino Se en el segundo miembro tiende a cero ya que k # 0. Esto corresponde al consumo completo de sustrato. Si se utiliza la DBO como medida de la concentracin de sustrato se obtiene un grfico del tipo del de la figura 5.5 ya que, a tiempo de residencia infinito, en el reactor biolgico se habr consumido toda la DBO. Si se utiliza cualquier otro parmetro (por ejemplo la DQO) para medir la concentracin de sustrato, puede ser que la lnea recta no pase por el origen. Esta situacin se ilustra en la figura 5.6. En el caso de la figura 5.6 la abscisa en el origen Sn corresponde a la concentracin de materia no biodegradable (DQO residual) que permanecer incluso despus de un tiempo infinito de residencia en el reactor biolgico. En este caso. la ecuacin (5.20) se transforma en la (5.21).

(5.21)

Fig. 5.6 Determinacin grfica de k y Sn

4. BALANCES DE MATERIA 4.1. Parmetros biocinticos correspondientes a la produccin neta de MLVSS y a la demanda de oxgeno 4.1.1. Introduccin: mecanismo del tratamiento aerobio de las aguas residuales Es imprescindible conocer la produccin de MLVSS y el consumo de oxgeno para disear los reactores biolgicos aerobios. Para obtener modelos matemticos que conduzcan a la determinacin de estos valores, se definen en esta seccin varios parmetros biocinticos designados mediante los simbolos , Y, kd, a y b. La solucin que sigue es la propuesta por Eckenfelder y colaboradores [1 a 3]. La evaluacin de estos parmetros se lleva a cabo usando reactores biolgicos continuos a escala semipiloto. En la discusin que sigue, se utilizan valores numricos de estos parmetros con objeto de hacer ms asequibles algunos conceptos. Estos valores se obtienen mediante las tcnicas discutidas en la seccin 6. Para llegar a la definicin de estos parmetros, debe comprenderse el mecanismo bsico de la degradacin aerobia de los sustratos. Considrese que un sustrato (compuesto orgnico) entra en el afluente a un reactor continuo (figura 5.4). Con objeto de hacer ms sencilla la comprensin de este

concepto, tmese el caso hipottico de que el sustrato est formado por lactosa pura. Supngase que la concentracin de lactosa en el afluente (So) sea igual a 1050 mg/l. Supngase que esta concentracin se reduce en el efluente hasta 50 mg/l. De esta forma el sustrato consumido es 1050 - 50 = 1000 mg/l. Supngase que la DTeO (demanda terica de oxgeno) sea la medida utilizada de la concentracin de lactosa.* La ecuacin qumica correspondiente a la DTeO de la lactosa viene dada por la ecuacin (5.22).**

(5.22)

* Como se discuti en el capitulo 2, la DTeO puede utilizarse nicamente en casos excepcionales (como en este caso de la lactosa pura) cuando se cuenta con el anlisis completo del agua residual. ** A efectos de simplificar la ecuacin (5.22) la lactosa se representa por una unidad de azcar (CH2O). Multiplicando esta unidad por un factor 12, se obtiene:

que es la frmula molecular de la lactosa.

Fig. 5.7. Mecanismo de la degradacin biolgica aerobia.

Por ello, la DTeO del afluente es (32/30) x 1050 = 1120 mg/l. La DTeO del efluente es (32/30) x 50 = 53,3 mg/l. Por lo tanto la DTeO consumida es:

o:

(5.23) Por ello, la DTeO y el sustrato consumido son proporcionales, siendo la constante de proporcionalidad en este caso. 32/30 = 1,07. Ya que la DBO, DQO, COT, etc., pueden correlacionarse a la DTeO, puede tambin expresarse el consumo de sustrato en funcin de estos otros parmetros. En la figura 5.7 se representa esquemticamente el mecanismo de la degradacin aerobia biolgica de un sustrato. Los parmetros biocinticos ( , Y, kd, a, b) indicados en la figura 5.7 se definen en las secciones 4.1.2 a 4.1.9. La figura 5.7 indica que el sustrato se consume durante el proceso biolgico de dos formas: 1. Metabolismo celular. Parte de sustrato, despus de haber sido consumido como alimento por los microorganismos, se utiliza para sintetizar nuevas clulas de microorganismos, lo que conduce a un aumento de la biomasa. Esto corresponde a la fase de sntesis. Para el caso de la lactosa. esta sntesis corresponde a:*

(5.24)

* Tambin se utiliza fsforo en la sintesis y constituye parte de la materia celular. El porcentaje de fsforo en las clulas de MLVSS es aproximadamente 2,24% por lo que la frmula empirica ms exacta de las clulas de MLVSS es C5H7NO2Pn en la que n viene dada por (peso atmico del fsforo = 31).

o C5H7NO2P0.0833. Esto corresponde aproximadamente a C60H84N12O24P, multiplicando los indices por un factor de 12. El nitrgeno y fsforo requeridos pueden suministrarse por la adicin de fosfato amonico al agua residual, por ejemplo, si es que sta no contiene el nitrgeno y fsforo requeridos.

Las etapas intermedias de la ecuacin (5.24) son complejas y no se discutirn aqu. La frmula emprica C5H7NO2 corresponde a la composicin media de las clulas de MLVSS. Se necesita nitrgeno para la sntesis y debe proporcionarse. De la frmula

emprica aproximada C5H7NO2, se concluye que el porcentaje de nitrgeno en las clulas de MLVSS es (14/113)x100=12.4%. 2. Metabolismo energtico. El sustrato restante se oxida, siendo los productos finales fundamentalmente CO2 y H2O. En el ejemplo de la lactosa, esta oxidacin del sustrato corresponde a la ecuacin (5.22). Este proceso de oxidacin es esencial para la produccin de energa de mantenimiento, utilizada por las clulas para continuar sus funciones vitales, tales como sntesis de nuevas clulas y movilidad. Supngase que el 65% de la lactosa consumida (esto es el 65% de 1000 mg/l = 650 mg/l) se oxida para proporcionar las necesidades energticas. y que el 35% (esto es 350 mg/l) se utiliza en la sntesis de nueva materia celular.** Ya que hay una constante de proporcionalidad que relaciona los consumos de sustrato y de DTeO [factor (32/30) en la ecuacin (5.22) para la lactosal. se concluye que el 65% de la DTeO consumida se utiliza para el metabolismo energtico y el 35% para la sntesis de nuevas clulas. Afirmaciones anlogas son vlidas cuando se aplica la DBO u otros de los parmetros definidos en el capitulo 2 (secciones 2 y 3). Ya que se consume continuamente sustrato (materia orgnica) para sustentar el metabolismo celular y el metabolismo energtico, la concentracin de dicha materia orgnica ir disminuyendo. Una vez que se haya consumido la materia orgnica. los microorganismos entran en la fase de respiracin endgena. Bajo estas condiciones, se oxida materia celular para satisfacer las necesidades energticas y de mantenimiento. En consecuencia, la cantidad de biomasa se reducir. Suponiendo como frmula qumica de los VSS, C5H7NO2, la oxidacin celular correspondiente a la respiracin endgena viene dada por la ecuacin (5.25):

(5.25)

** En general, para la degradacin aerobia de los sustratos orgnicos, aproximadamente los 2/3 del sustrato consumido se oxidan para satisfacer las necesidades energticas mientras que 1/3 se convierte en biomasa.

4.1.2. Definicin del parmetro (Metabolismo celular) Sea la fraccin de sustrato consumido que se utiliza para la sntesis celular ( = 0.35 en el ejemplo de la lactosa). Debido a la proporcionalidad entre consumo de sustrato y la DTeO, DQO, o DBO, representa tambin fracciones de DTeO (o DQO, DBO) utilizadas para sntesis de nuevas clulas. Por lo tanto:

(5.26)

El valor numrico de es independiente de los parmetros utilizados para expresar ei consumo de sustrato, ya que representa la fraccin de sustrato consumido utilizada en la sntesis, y por tanto es una cantidad adimensional. El mismo factor de conversin para cambiar los parmetros en los que se exprese el consumo de sustrato aparece simultneamente en el numerador y en el denominador de la ecuacin (5.26) y por lo tanto se elimina. El parmetro no aparece en la formulacin final de los procesos aerobios desarrollados en la seccin 6. En su lugar se utiliza el parmetro Y (produccin celular), relacionado con Y. 4.1.3. Definicin del parmetro a (Metabolismo energtico mediante oxidacin de sustrato) Sea a la fraccin de sustrato consumido utilizado para la produccin de energa mediante la oxidacin del sustrato (a = 0.65 en el ejemplo de la lactosa). Por lo tanto:

(5.27) en la que:

(5.28)

El valor numrico de a definido en la ecuacin (5.28) es independiente de los parmetros utilizados para expresar el consumo de sustrato. Las mismas observaciones hechas para son aplicables. Resumen: Para el ejemplo de la lactosa: Sustrato total consumido: 1000 mg/l. DTeO total consumida: 32/30 x 1000 = 1066,7 mg/l. Estos consumos presentan dos formas: (1) Metabolismo celular:

Sustrato consumido utilizado en el metabolismo celular:

DTeO consumida en el metabolismo celular:

(2) Metabolismo energtico:

Sustrato consumido utilizado en el metabolismo energtico:

DTeO consumida en el metabolismo energtico:

En la ecuacin (5.22), la DTeO consumida en el metabolismo energtico iguala los kilogramos de oxigeno utilizado en la oxidacin del sustrato. Por lo tanto, la definicin de a (en funcin de la DTeO) dada por la ecuacin (5.28) se reformula como sigue:

(5.29) esto es, a es igual a los kilogramos de oxgeno utilizados en el metabolismo energtico por kilogramo de DTeO total consumida. En consecuencia, de la ecuacin (5.29):

(5.30) Escribiendo el segundo miembro de la ecuacin (5.30) en funcin de la DQO, DBO. etc., utilizando las relaciones DTeO/DQO, DTeO/DBO, etc., se obtiene:

(5.31) Los subndices de a se definen como sigue:

(5.32)

(5.33) (en la que a sin subndice significa a = aDTeO). Combinando las ecuaciones (5.30) y (5.31) con las ecuaciones (5.32) y (5.33):

(5.34) Por ello, siempre que el parmetro a se utilice en el clculo de la demanda de oxigeno, no se emplean subndices. Se elige un valor adecuado de a que sea compatible con los parmetros que expresen el consumo de sustrato. De la ecuacin (5.34) se deduce que a es igual a los kilogramos de oxgeno utilizado en el metabolismo energtico por kilogramo de sustrato consumido (consumo expresado por la DTeO, DQO, DBO, etc.). La utilizacin de los subndices DQO y DBO puede parecer inconsistente ya que a es una relacin, y por lo tanto su valor numrico debe ser independiente de los parmetros utilizados al expresar el consumo. Sin embargo, esta independencia se aplica slo a los valores de a definidos en la ecuacin (5.28). En la ecuacin (5.28) aparece simultneamente en el numerador y en el denominador el mismo factor de conversin para los parmetros que expresan el consumo, y por lo tanto se anulan entre si. Sin

embargo, de la ecuacin (5.34) se deduce que est siendo utilizada una definicin modificada de a, esto es:

(5.35) (5.36)

(5.37)

El valor numrico en las ecuaciones (5.35), (5.36) y (5.37) es el mismo (kg de oxgeno utilizados en la oxidacin del sustrato). Sin embargo los valores de los denominadores varan en funcin de los parmetros elegidos para expresar el consumo de sustratos. En consecuencia, los valores numricos de a en las ecuaciones (5.35), (5.36) y (5.37) sern diferentes en cada caso. Por lo tanto se justifica la utilizacin de subndices. Ms an, solamente el valor de a dado en la ecuacin (5.35) es numricamente igual a las relaciones definidas por la ecuacin (5.28) esto es, aDTeO = a. Los valores de a dados en las ecuaciones (5.36) y (5.37) no son slo diferentes uno de otro, sino que ninguno de ellos iguala la fraccin de sustrato consumido utilizado en el metabolismo energtico.

4.1.4. Definicin del parmetro Y (Metabolismo celular) El parmetro Y, en relacin con el , se define como:

(5.38)

En consecuencia, Y representa la produccin de lodo biolgico por kilogramo de sustrato total consumido.

La relacin entre los parmetros e Y se establece mediante el estudio del ejemplo de la lactosa, ecuacin (5.24). Se supone que 350 mg/l (35% del total de 1000 mg/l de lactosa consumida) es la cantidad empleada para la sntesis, segn la citada ecuacin (5.24). La

produccin de MLVSS se calcula como sigue:

(5.39)

Por lo tanto, de la ecuacin (5.39) se obtiene:

(5.40)

esto es, se producen 263.7 mg/l de MLVSS por 1000 mg/l de lactosa consumida: por ello = 263.7/1000 = 0.2637. La relacin entre e Y de la ecuacin (5.40) para el ejemplo de la lactosa es:

en la que 113/150 es la relacin estequiomtrica de la ecuacin (5.24). La sustitucin de este valor de en la ecuacin (5.27) conduce a:

(5.41)

El parmetro Y puede escribirse en funcin de la DTeO total consumida. YDTeO puede representar el valor numrico de Y de la siguiente forma:

(5.42)

La relacin Y/YDTeO de las ecuaciones (5.38) y (5.42) teniendo en cuenta la relacin estequiomtrica 32/30 en la ecuacin (5.22), es:

(5.43)

o:

(5.44)

La ecuacin (5.41) escrita en funcin de YDTeO utilizando la ecuacin (5.44) es:

o:

(5.45)

La produccin de MLVSS (sintesis) se obtiene de la ecuacin (5.42):

(5.46)

La ecuacin (5.46) puede reescribirse expresando el consumo de sustrato en funcin de la DQO, DBO, etc., utilizando relaciones DTeO/DQO, DTeO/DBO. etc.:

(5.47)

Se define:

(5.48)

(5.49)

Por lo tanto:

(5.50)

De aqu en adelante no se utilizarn subndices para el parmetro Y. Se entiende que se elige el valor adecuado del parmetro Y que sea compatible con los empleados al expresar el consumo de sustrato. 4.1.5. Una observacin referente al factor 1,42 Aunque el factor 1,42 de la ecuacin (5.45) se obtuvo en la seccin 4.1.4 al estudiar el ejemplo especifico de la lactosa. se va a demostrar a continuacin que dicho factor es de aplicacin a todos los sustratos, siempre y cuando se tome C5H7NO2 como frmula emprica media de los MLVSS. Considrese el ejemplo especfico de la lactosa. Escrbanse las ecuaciones (5.22) y (5.24), multiplicando la primera por 5 esto es:

(5.51)

y ecuacin (5.24):

Recuerdese que el factor 1.42 se produca en la ecuacin (5.45):

o:

(5.52)

En el ejemplo de la lactosa la molcula de sustrato se defina como una unidad de azcar (CH2O) conteniendo un tomo de carbono, que corresponde a un peso molecular de 30. Obsrvese que en la ecuacin (5.52), el peso molecular del sustrato (30 en este caso) se anula. Para cualquier sustrato de peso molecular M (en el que la molcula se defina sobre la base de la unidad que contiene un tomo de carbono) la ecuacin (5.52) se convierte en:

(5.53)

Por ello, la ecuacin (5.45) es vlida para todos los sustratos, siendo la nica restriccin la suposicin de que la frmula emprica media para los MLVSS sea C5H7NO2. Estudiando la ecuacin (5.25) se desprende que el factor 1,42 (que es igual a 160/113) corresponde a los kilogramos de oxgeno requerido para oxidar 1 kg de MLVSS mediante el proceso de respiracin endgena. 4.1.6. Resumen Nota: Los valores aproximados de la relacin entre parmetros para expresar la demanda de oxgeno se han tomado de la tabla 2.1. Las relaciones reales pueden variar significativamente dependiendo de la naturaleza del agua residual. Los valores que se tabulan a continuacin sirven solamente como estimaciones aproximadas a faltas de los datos pertinentes.

Las relaciones entre otros parmetros de demanda de oxgeno o basados en el carbono, estudiados en el captulo 2, se desarrollan fcilmente.

Pueden desarrollarse fcilmente otras relaciones de parmetros que definan la demanda de oxgeno y basados en el contenido de carbono. entre los descritos en el captulo 2.

La ecuacin (5.27) se escribe fcilmente en funcin de otros parmetros de demanda de oxgeno y de contenido de carbono definidos en el captulo 2. 4.1.7. Parmetros de diseo correspondientes a la respiracin endgena: introduccin Se definen dos parmetros de diseo, kd y b, correspondientes a la fase de respiracin endgena. La respiracin endgena supone la oxidacin de la materia celular con objeto de proporcionar energa para el mantenimiento de los microorganismos cuando la fuente externa de materia orgnica (sustrato) ha sido consumida. Corresponde al festn canbal descrito en la seccin 3.1. Suponiendo que la frmula qumica de los MLVSS es C5H7NO2, la oxidacin de las clulas correspondiente a la respiracin endgena viene dada por la ecuacin (5.25). 4.1.8 Definicin del parmetro kd (Respiracin endgena) El parmetro kd (dimensiones: tiempo-1, esto es, d-1, h-1) se define como la fraccin de MLVSS por unidad de tiempo oxidada durante el proceso de respiracin endgena. Por ejemplo, un valor de kd = 0,1 d-1 significa que el 10% de la cantidad total de MLVSS presente en el reactor continuo, en cualquier momento, es la cantidad oxidada por da. kd se denomina coeficiente de descomposicin microbiana. Por lo tanto.

(5.54)

En consecuencia, los kilogramos de MLVSS oxidados por da son:

(5.55)

Los MLVSS presentes en el reactor continuo en cualquier momento, suponiendo la operacin en rgimen estacionario, es una cantidad constante que viene dada por:

(5.56)

en la que XV.a es la concentracin de MLVSS, esto es, kg MLVSS por unidad de volumen en el reactor y V el volumen del reactor. De esta forma las ecuaciones (5.55) y (5.56) se convierten en:

(5.57)

4.1.9. Definicin del parmetro b El parmetro b (dimensiones: tiempo-1, esto es, d-1, h-1) se define como los kilogramos de

oxgeno utilizado por da por kilogramo de MLVSS en el reactor en el proceso de respiracin endgena, esto es,

(5.58)

Por ello, el consumo de oxgeno en la respiracin endgena es:

(5.59)

o de la ecuacin (5.56):

(5.60)

La relacin aproximada entre kd y b se desarrolla al suponer que la frmula emprica de los MLVSS es C5H7NO2, y que la respiracin endgena corresponde a la ecuacin qumica (5.25). De las ecuaciones (5.58) y (5.54) se obtiene la relacin b/kd

(5.61)

De la ecuacin (5.25) esta relacin es:

(5.62)

En consecuencia, se consumen 1,42 kg de oxgeno para oxidar 1 kg de MLVSS. Debe hacerse una observacin importante al llegar a este punto: mientras que los parmetros a e Y son relaciones [ecuaciones (5.28), (5.35), (5.36) y (5.37) para: y ecuaciones (5.38) y (5.42) para Y], kd y b son velocidades. El tiempo no aparece en las definiciones de Y y a, pero s en las de kd y b.

4.2. Balance de materia para determinar el consumo de oxgeno El conocimiento de las necesidades de oxgeno para efectuar un consumo especfico de DBO resulta imprescindible a la hora de disear el equipo de aireacin. De las discusiones de las secciones 4.1.3 y 4.1.9 se desprende que se requiere oxgeno con dos fines: (1) oxidar el sustrato con objeto de proporcionar energa a las clulas, ecuacin (5.22), y (2) en el proceso de respiracin endgena, ecuacin (5.25). 1. Oxigeno requerido para oxidar el sustrato. Los kilogramos de oxigeno requeridos por da se calculan con la ayuda de la ecuacin (5.34). Haciendo referencia a la figura 5.1 y a los smbolos definidos en el cuadro 5.1:

(5.63)

en la que: Sr = So - Se = sustrato total consumido. En la ecuacin (5.63) se utilizan valores apropiados de a compatibles con los parmetros en los que se expresa el consumo total de sustrato (So - Se) Si en la ecuacin (5.63):

* La determinacin experimental del parmetro a se describe en la seccin 6.3.2.

se requiere un factor de 86.4. esto es*

(5.64)

* Para las aguas residuales tipicas se supone que su densidad es la del agua (1 kg/l). En este caso mg/l es equivalente ppm. Por lo tanto, de la ecuacin (5.63):

en la que la flotacin DBOr indica la DBO consumida. (r. del ingls removed.)

2. Oxgeno requerido en la respiracin endgena. Para este clculo se utiliza la ecuacin (5.60). Como en el caso de la ecuacin (5.63) se necesita un factor, ahora de 10-3, para expresar el resultado en kg O2/d cuando b = kg O2/(d) (kg MLVSS en el reactor,** XV,a = mg/l de MLVSS en el reactor y V es el volumen del reactor en m3. Por ello:

(5.65)

** La determinacin experimental del parmetro b se describe en la seccin 6.3.2.

Resumen. El consumo total de oxgeno viene dado por las ecuaciones (5.63) y (5.60) como:

(5.66) o

(5.67) Debe tenerse en cuenta que la ecuacin (5.67) no incluye el oxigeno empleado en la nitrificacin, ya que dicha ecuacin ha sido desarrollada nicamente sobre la base de la demanda de oxgeno de la materia carbonosa. Si se produce la nitrificacin en una cantidad apreciable debe incluirse un tercer trmino en el segundo miembro de la ecuacin para tener en cuenta la demanda de oxgeno para la nitrificacin (DON). Este tema se discute en el captulo 8. seccin 9.4.2. 4.3. Balance de materia para la determinacin de la produccin neta de biomasa (MLVSS) De las secciones 4.1.4 y 4.1.8 se desprende que (1) una fraccin de sustrato consumido se utiliza en la produccin de MLVSS, calculndose los kilogramos de MLVSS producidos mediante la ecuacin (5.50), y que (2) parte de lo producido se pierde en respiracin endgena, calculndose la biomasa perdida mediante la ecuacin (5.57). 1. Biomasa producida por consumo de sustrato. Los MLVSS producidos en kg/d se calculan con la ecuacin (5.50). Haciendo referencia a la figura 5.1 ya los smbolos definidos en el cuadro 5.1:

(5.68)

En la ecuacin (5.68) se utilizan los valores apropiados de Y compatibles con los parmetros en los que se expresa el sustrato total consumido (So - Se). Se necesita igualmente el factor 86,4 para el clculo de los kg/d de MLVSS, s Y = kg de MLVSS producidos/kg de DBO total consumida.*

Por ello:

(5.69)

* La determinacin experimental del parmetro Y se describe en la seccin 6.3.3.

2. Biomasa perdida en la respiracin endgena. El lodo perdido por respiracin endgena se obtiene mediante la ecuacin (5.57). Se requiere el factor 10-3 para el clculo de los kilogramos de biomasa oxidados por dia si kd = kg MLVSS oxidado/(d)(kg MLVSS en el reactor),**

De esta forma:

(5.70)

** La determinacin experimental del parmetro kd se describe en la seccin 6.3.3.

Resumen. La produccin neta de MLVSS se obtiene por diferencia entre los MLVSS producidos, ecuacin (5.68), y la cantidad perdida por respiracin endgena, dada por la ecuacin (5.57). Esta produccin neta en kg/d se indica mediante DXV.

(5.71) o

(5.72) 4.4. Expresiones alternativas para la determinacin de la produccin neta de biomasa Considrese la ecuacin (5.72) para la produccin neta de biomasa. Dividindola por XV,aV y haciendo V/Qo = th (tiempo de residencia hidrulico), se llega a:

(5.73) Ntese en la ecuacin (5.73) la presencia del trmino (So - Se)/XV,ath, velocidad especifica de consumo de sustrato, que fue definida en la seccin 3.2 y designada por q, ecuacin (5.16). Las unidades del trmino (DXV/V)/XV,a en la ecuacin (5.73), a partir de aqu designado por , obtenido de determinaciones a escala de laboratorio, son normalmente:

(5.74) Por ello, en unidades mtricas prcticas:

(5.75) En consecuencia, corresponde a la produccin de biomasa por unidad de tiempo y por unidad de biomasa presente en el reactor. El parmetro se denomina velocidad especifica de crecimiento de la biomasa. En consecuencia, la ecuacin (5.73) puede volver a escribirse de la siguiente forma:

(5.76)

De acuerdo con la ecuacin (5.76) la representacin de en funcin de q da lugar a una linea recta de la que calculando la pendiente y la ordenada en el origen pueden obtenerse los parmetros Y y kd de produccin de lodo. En la figura 5.8 se representa una grfica tpica. En la seccin 6.4 se presenta un ejemplo numrico (ejemplo 5.1). Ntese que de acuerdo con la ecuacin (5.76) la ordenada en el origen kd debe encontrarse necesariamente debajo de Ja ordenada cero. La abscisa en el origen de la figura 5.8 corresponde a un valor cero de la ordenada. Esto sucede para condiciones de produccin neta cero de MLVSS, esto es, DXV = 0. Con referencia a la ecuacin (5.72), para DXV = 0 se deduce que la produccin de MLVSS por sntesis, esto es Y(So - Se)Qo, est esquilibrada exactamente por la prdida de MLVSS oxidado mediante respiracin endgena, o sea kdVV,aV. Por lo tanto, en este caso,

(5.77) o

(5.78)

Fig. 5.8. Determinacin grfica de los parmetros de lodo kd e Y.

Por ello, de la ecuacin (5.78) se deduce que la longitud de la abscisa en el origen es (So - Se)/XV.ath = kd/Y, tal como se indica en la figura 5.8. Este caso, en el que la produccin neta de MLVSS es tericamente nula, se discutir con ms detalle en el captulo 6, seccin 2, y corresponde a lo que se denomina aireacin prolongada (o proceso de oxidacin total). Una definicin de la velocidad especfica de crecimiento de la biomasa, en forma diferencial, paralela a las definiciones de la velocidad especfica de consumo de sustrato, ecuacin (5.13), es:

(5.79) en la que el subndice g indica crecimiento (del ingls growth). Combinando las ecuaciones(5.76), (5.79) y (5.13), la ecuacin(5.76) escrita en forma diferencial se convierte en:

(5.80) o

(5.81) Puede tambin escribirse una ecuacin alternativa para la produccin de biomasa en funcin de un nico parmetro Yn, (parmetro de produccin neta) en lugar de hacerlo en funcin del parmetro de produccin Y y del coeficiente de descomposicin microbiana kd como en el caso de la ecuacin (5.72). De esta forma la ecuacin (5.72) se convierte en:

(5.82)

La ecuacin (5.82) es bsicamente idntica a la ecuacin (5.72). La diferencia es que en la ecuacin (5.72) se requiere que las necesidades para mantenimiento se resten de la produccin terica, mientras que la ecuacin (5.82) describe directamente la produccin neta. Dividiendo la ecuacin (5.82) por XV,aV y utilizando la definicin de , ecuacin (5.75), y q, ecuacin (5.14), se obtiene:

(5.83) La ecuacin (5.83) escrita en forma diferencial [combinando la ecuacin (5.83) con las ecuaciones (5.79) y (5.13)]

(5.84)

(5.85)

La relacin entre el parmetro de produccin de lodos Y y el parmetro de produccin neta Yn puede obtenerse de las ecuaciones (5.76) y (5.83). De la ecuacin (5.83) resulta que q = /Yn. Sustituyendo este valor en la ecuacin (5.76) y despejando Yn:

(5.86)

4.5. ExpresIones alternativas para el consumo de oxgeno Considrese la ecuacin (5.67) para calcular el consumo total de oxigeno, en la cual el primer miembro se vuelva a escribir como VUO X V:

(5.87)

en la que VUO es la velocidad de utilizacin de oxigeno, esto es oxigeno consumido por da por unidad de volumen de reactor y V es el volumen del reactor. El parmetro VUO fue utilizado por la primera vez, en este libro, en el capitulo 4 [vase seccin 6, ecuacin (4.12)]. La determinacin experimental de VUO se discute en la seccin 6.3.2. Dividiendo la ecuacin (5.87) por XV,aVy haciendo V/Q0 = th (tiempo de residencia hidrulico) se obtiene:

(5.88)

Ntese en la ecuacin (5.88) la presencia del trmino (So - Se)/XV.ath, velocidad especifica de consumo de sustrato, que se defini en la seccin 3.2 y se denomin q, ecuacin (5.16). Las unidades de (VUO), obtenida de determinaciones a escala de laboratorio, son normalmente en mg O2/(d)(l). Por ello en unidades mtricas prcticas:

Por lo tanto en la ecuacin (5.88):

Con ello (VUO)/XV,a es una medida del consumo de oxgeno por unidad de tiempo y unidad de masa de lodo biolgico presente en el reactor. A partir de este momento esta cantidad se simboliza mediante esto es, = (VUO)/XV,a parmetro denominado velocidad especifica de consumo de oxgeno. La ecuacin (5.88) puede por ello volver a escribirse en la siguiente forma:

(5.89)

De acuerdo con la ecuacin (5.89) la representacin de en funcin de q es una lnea recta en la que la pendiente y la ordenada en el origen corresponden a los parmetros de consumo de oxigeno a y b. En la figura 5.9 se presenta una grfica tpica. En la seccin 6.4 se incluye una aplicacin numrica (ejemplo 5.1). Una definicin de la velocidad especfica de consumo de oxgeno en forma diferencial, anloga a las definiciones de la velocidad especfica de consumo de sustrato q, ecuacin (5.13), y a la velocidad especfica de crecimiento de la biomasa, ecuacin (5.79), es:

(5.90)

y la ecuacin (5.89) escrita en forma diferencial [combinando las ecuaciones (5.89), (5.90) y (5.13)]

(5.91)

(5.92)

Fig. 5.9. Determinacin grfica de los parmetros a y b de utilizacin del oxigeno.

Puede tambin escribirse una ecuacin alternativa del consumo de oxgeno que utilice los parmetros de produccin de lodos Y y kd definidos en las secciones 4.1.4 y 4.1.8. en lugar de los parmetros de consumo de oxgeno a y b. El razonamiento para desarrollar esta ecuacin alternativa es como sigue. Si todo el sustrato consumido se oxidara totalmente a efectos energticos, segn la ecuacin (5.22), las necesidades totales tericas de oxigeno seran:

(5.93)

en la que la DTeO para el afluente y el efluente se expresaran como mg DTeO/l. Haciendo referencia al caso de la lactosa del ejemplo de la seccin 4.1.1 (DTeO0 - DTeOc) seria (32/30) x 1000 = 1066,7 mg DTeO/l. De hecho, la ecuacin (5.93) se mantendra bajo la suposicin hecha en la seccin 4.1.1 de que solamente el 65 % de la lactosa se oxidara de acuerdo con la ecuacin (5.22), si se hubiera hecho una suposicin adicional de que toda la biomasa (esto es C5H7NO2) producida del 35 % de la lactosa restante hubiera sido consumida completamente por respiracin endgena de acuerdo con la ecuacin (5.25). Esto resulta obvio si se examina la secuencia de las ecuaciones qumicas correspondientes:

En la segunda ecuacin, la relacin molar O2/C es todava 1/1 como en el caso de la primera ecuacin. Por consiguiente el consumo de oxgeno sera exactamente el mismo bajo las suposiciones anteriores como si el 100% de la lactosa fuera totalmente oxidada de acuerdo con la primera ecuacin. De las consideraciones de la seccin 4.1.5 esta conclusin se aplicara igualmente a cualquier sustrato distinto de la lactosa, definiendo una "molcula" de sustrato en forma de grupo unitario que contiene un tomo de carbono. Sin embargo, la ecuacin (5.93) no es correcta, ya que una parte de la biomasa producida se oxida de acuerdo con la ecuacin (5.25). La parte de biomasa que no se oxida en el sistema corresponde a la produccin neta de biomasa DXV. De la ecuacin (5.25) se ha deducido (seccin 4.1.5) que seran tericamente necesarios 1,42 kilogramos de oxgeno para oxidar cada kilogramo de esta biomasa DXV. Por lo tanto, la expresin corregida del consumo de oxgeno, puede obtenerse sustrayendo de la ecuacin (5.93) la cantidad 1,42 DXV que corresponde a los ahorros de demanda de oxigeno debidos al hecho de que una parte de la biomasa producida (concretamente DXV) no se oxida. Esto conduce a la obtencin de la ecuacin (5.94) para la definicin del consumo terico del oxgeno:

(5.94)

S DXV en la ecuacin (5.94) se sustituye por el valor dado en la ecuacin (5.72), se obtiene la ecuacin:

(5.95)

Puede escribirse una ecuacin aproximada utilizando la DBO final (esto es DBOf) en lugar de la DTeO en el segundo miembro de la ecuacin (5.95). Si el parmetro de produccin de lodo Y se determina tambin experimentalmente utilizando la DBOf para medir las concentraciones de sustrato, puede reescribirse la ecuacin (5.95) como sigue:

(5.96)

en la que So y Se vienen expresadas en mg DBOf/l. La ecuacin (5.96) puede reordenarse como sigue:

(5.97)

en la que (So - Se) viene expresada en funcin de la DBOf e Y en kg MLVSS producidos/kg DBOf consumida. 5. RELACIN PARA CALCULAR LAS CONDICIONES PTIMAS DE DECANTACIN DEL LODO Para que el proceso de lodos activos funcione adecuadamente, los MLVSS del efluente del reactor deben separarse rpidamente en el clarificador secundario. La condicin que se presenta a veces por la que el lodo es ligero y disperso (lodo inflado) y por ello difcil de sedimentar se denomina bulking. El lodo de estas caractersticas pasa por encima

de los vertederos de separacin y se escapa con el efluente del clarificador secundario. Ya que la concentracin de sustrato en el efluente es pequea, no hay bastante alimento para mantener el crecimiento de los microorganismos que constituyen el lodo. Por lo tanto los microorganismos se ven obligados a funcionar en rgimen de respiracin endgena. Debido al consumo de oxgeno de la respiracin endgena, ese efluente tendra una DBO relativamente elevada, lo que no resulta deseable.

Fig. 5.10. Ensayo del IVL

Las caractersticas de decantacin de los lodos se evalan mediante ensayos de sedimentacin realizados en el laboratorio. Para esta evaluacin se utilizan normalmente dos parmetros.

1. Velocidad de sedimentacin por zonas (VSZ). Este parmetro y su determinacin experimental se discute en el captulo 3, seccin 3.7.1. Un lodo fcilmente sedimentable presenta una VSZ elevada, de aproximadamente 6 m/h.

2. ndice volumtrico de lodo (IVL). El ndice volumtrico del lodo se define como el volumen en mililitros ocupado por 1 g de slidos en suspensin del licor mezclado (MLSS), expresado en peso seco, despus de sedimentar durante 30 minutos en una probeta graduada de 1000 ml. Como ejemplo, considrese el ensayo de IVL de una muestra A de la lnea efluente de un reactor biolgico, tal como se presenta en la figura 5.10. Supngase que se ha determinado la concentracin inicial (a t = 0) de slidos totales en suspensin en la muestra A que ha resultado ser de 2000 mg/l. Despus de 30 min. de decantacin en la probeta, la altura de la interfase del lodo corresponde a 250 ml.

Ya que hay 2000 mg (= 2g) de lodo en la probeta, el volumen ocupado por 1 g de lodo despus de 30 min. de sedimentacin es:

El IVL puede calcularse a partir de:

(5.98) en la que pv = % del volumen de probeta ocupado por la zona de lodo despus de 30 mm de decantacin [para la muestra A, pv = (250/1000) x 100 = 25 %] y pw es el % de slidos en la muestra [para la muestra A, la concentracin de 2000 mg/l corresponde a pw = 2000/10000 = 0,2 % de slidos]. Por ello:

La concentracin de slidos totales en suspensin en la lnea de reciclado (descarga del clarificador secundario), a partir de ahora representada por Xu, puede estimarse suponiendo que no hay slidos en suspensin perdidos en el rebosadero del clarificador y que la concentracin de lodos es equivalente a la que se alcanza despus de 30 min. de decantacin en la probeta de laboratorio. De esta forma:

o:

(5.99) Para la muestra A:

Es importante recordar que los valores de Xu estimados a partir de la ecuacin (5.99) corresponden a slidos totales en suspensin. Para estimar la concentracin de slidos voltiles en suspensin para la lnea de reciclado (XV,u), la ecuacin (5.99) se modifica como sigue:

(5.100) La relacin (MLVSS/MLSS) de slidos voltiles a slidos totales en las plantas de lodos activos est comprendida normalmente dentro del intervalo 0,8 a 0,9, esto es, que del 80 al 90% de los slidos en suspensin son voltiles. La utilizacin de IVL para medir las caractersticas de la decantacin de los lodos es cuestionable, ya que como se ndica en la figura 5.10, este ndice mide solamente un punto de la curva de decantacin. En la figura 5.10 la muestra B que corresponde a otro lodo de caractersticas de decantacin completamente diferentes, pero con la misma concentracin de slidos en suspensin totales de 2000 mg/l a t = 0 como la muestra A, tiene el mismo valor del IVL de 125. De hecho, un lodo con una concentracin inicial de 8000 mg/l de slidos totales en suspensin, que podra no decantar en absoluto, podra tener an un valor del IVL de 125, ya que por la ecuacin (5.98):

Los valores tpicos del IVL para lodos de buenas caractersticas de sedimentacin con concentraciones de 800-3500 mg/l estn comprendidos dentro del intervalo 150 - 35. Varios autores han correlacionado las caractersticas de decantacin del lodo (expresadas por la VSZ o por el IVL) con un parmetro denominado relacin alimento a microorganismos (en lo sucesivo indicado por A/M). Este parmetro se define mediante la ecuacin *

(5.101) Los valores de A y M vienen dados por (figura 5.4):

(5.102)

(5.103) en la que Q0 viene dado en m3/d y (S0, XV,a) en mg/l. Por lo tanto:

(5.104) Ya que V/Q0 = th = tiempo de residencia hidrulico.

(5.105) Con objeto de conseguir correlaciones de las caractersticas de sedimentacin de un lodo, se trabaja con una serie de reactores en continuo a escala semipiloto teniendo en cada uno de ellos una relacin diferente de A/M. El lodo obtenido en cada reactor se somete a pruebas de decantacin (VSZ e IVL). S estos dos parmetros, que son una medida de la capacidad del lodo para decantar, se representan en funcin de las relaciones A/M correspondientes, se obtienen curvas similares a las de la figura 5.11.

* Algunos autores definen la relacin A/M como A/M = kg de sustrato utilizado/(d)(kg MLVSS en el reactor). En este caso, A viene dado por:

en lugar de la ecuacin (5.102). Por ello la ecuacin (5.105) se transforma en:

(5.105 a)

Como A/M es simplemente un factor de correlacin,. su definicin exacta es algo arbitraria. Ya que el valor de Se es pequeo al compararlo con S0, normalmente de 5 al 15% de S0 las ecuaciones (5.105) y (5.105 a) son casi equivalentes. Comparando las ecuaciones (5.16) y (5.105 a) resulta:

Como consecuencia, de acuerdo con la ecuacin (5.76), podremos escribir una relacin entre la velocidad especfica de crecimiento de la biomasa y el parmetro A/M:

(5.76 a)

La ecuacin (5.76a) suministra una relacin importante entre el parmetro A/M y un otro parmetro denominado edad de los lodos. Este tema ser estudiado en la seccin 9.4 de este capitulo.

Figura 5.11. Correlacin tpica entre IVL y VSZ con la relacin A/M.

Ya que para que un lodo tenga unas condiciones de sedimentacin ptimas debe presentar una VSZ elevada y un IVL bajo, la mejor relacin A/M, tal como se indica en la figura 5.11, corresponde al mximo de la curva VSZ y al mnimo de la curva IVL. En la mayora de las aguas residuales este valor ptimo de la relacin A/M se encuentra comprendido dentro de los siguientes limites.

(5.106)

en la que A/M viene expresada en kg DBO5 afluente/(d)(kg MLVSS). A continuacin se desarrolla una explicacin de la correlacin A/M y las caractersticas de sedimentacin del lodo.

1. Para relaciones A/M bajas (por ejemplo, inferior a 0,3 d-1), la cantidad de alimento (sustrato) presente en el sistema es insuficiente para mantener el crecimiento de microorganismos, por lo que se ven obligados a vivir bajo el sistema de respiracin endgena. Una clula de bacteria tpica contiene un material citoplasmtico rico en protenas y cido ribonucleico (ARN) y es la principal porcin de la clula que se metaboliza durante el proceso de respiracin endgena. El residuo que queda del metabolismo endgeno est constituido principalmente por cpsulas celulares muy ligeras que resisten la sedimentacin. Esta es la razn por la cual a relaciones bajas de A/M el lodo tiene unas caractersticas muy pobres para su decantacin. El lodo obtenido bajo

estas condiciones corresponde a flculos dispersos y en la figura 5.11 se presenta una vista microscpica del mismo para la regin de bajas relaciones A/M.

2. A relaciones de A/M elevadas (por ejemplo, superiores a 0,6 d-1) hay un predominio de un tipo de microorganismo de naturaleza filamentosa (Sphaerotilus). Este tipo de colonia no decanta bien permaneciendo en suspensin casi continuamente. El lodo inflado bajo estas condiciones es el que se denomina bulking.

3. A valores de la relacin A/M comprendidos entre estos dos extremos, el lodo tiene buenas caractersticas de sedimentacin. El lodo bajo estas condiciones se denomina floculante.

4.

De la ecuacin (5.105) se calcula el tiempo de residencia hidrulico th para obtener un lodo floculante ptimo. La ecuacin (5.105) para la relacin ptima A/M, determinada en la figura 5.11. se escribe como sigue:

(5.107) Despejando th:

(5.108) La geometra del sistema y la forma en que el agua residual se aporta al reactor condicionan las caractersticas de floculacin del lodo. Por ejemplo, si el reactor es un tanque largo rectangular con unas condiciones relativamente pobres de mezcla, los MLVSS se ponen en contacto inicialmente con el agua negra que penetra, y por lo tanto prevalece a la entrada una relacin elevada de A/M. Bajo estas condiciones se desarrollan unas colonias filamentosas que persisten durante el perodo de aireacin, y se obtiene un lodo con caractersticas de sedimentacin muy pobre (figura 5.12). La misma situacin se presenta en un reactor discontinuo, ya que una relacin elevada de A/M es la que prevalece al comienzo de la operacin. El reactor representado en la figura 5.12 es aproximadamente un modelo de reactor en continuo de flujo pistn, que se describe en la seccin 12 de este captulo.

Fig. 5.12. Efecto de la geometra en las caractersticas de decantacin de los MLVSS (modelo de flujo pistn).

Fig. 5.13. RFCTA (Resumen de las ecuaciones biocinticas).

CUADRO 5.2

Si se presenta mezcla completa en el sistema, la relacin A/M es uniforme en todo l, consiguindose que se trabaje en el intervalo ptimo ideal. Por lo tanto es posible que se obtenga un lodo denso. Es importante obtener experimentalmente el grfico de la figura 5.11 para el sustrato especifico en cuestin, porque pueden ocurrir variaciones, dependiendo de las caractersticas del sustrato. Sustratos que son fcilmente degradables (p. ej., aguas residuales de industrias azucareras) son inmediatamente disponibles como alimento para los microorganismos, y por lo tanto el resultado es un crecimiento rpido. Sin embargo, sustratos orgnicos complejos (p. ej., aguas residuales de plantas petroqumicas) deben sufrir degradacin qumica antes de estar disponibles como

alimento para los microorganismos. En este caso el crecimiento ser lento. Un resumen de las ecuaciones desarrolladas en las secciones 3 a 5 se presenta en el cuadro 5.2. 6. DETERMINACIN EXPERIMENTAL DE LOS PARMETROS BIOCINTICOS NECESARIOS PARA EL DISEO DE LOS REACTORES BIOLGICOS AEROBIOS 6.1. Reactores continuos a escala de laboratorio. En esta seccin se describe un reactor continuo a escala de laboratorio utilizado para estas determinaciones. Los parmetros a determinar estn definidos en las secciones 4.1.2 a 4.1.9. esto es, para las relaciones cinticas: k; para las ecuaciones de balance de materia: Y, a, kd y b. En la figura 5.14 se muestra un esquema del reactor de flujo continuo. Esta unidad ha sido proyectada y construida por Bio-Development Associates, Austin, Texas. El reactor est hecho de plexigls y dividido en dos secciones: las cmaras de aireacin y decantacin. Dichas cmaras simulan el reactor y clarificador secundario de una planta real. La capacidad de la cmara de oxidacin es de aproximadamente 7 l. El aire se suministra tal como se indica en el esquema. Las burbujas de aire mantienen el contenido de la cmara de aireacin en una condicin de mezcla completa. El agua residual se alimenta continuamente desde un sistema de carga constante mediante una bomba peristltica (Sigmamotor), y fluye continuamente en el frasco de recogida del efluente. Las cmaras de aireacin y sedimentacin estn separadas por una puerta deslizante que puede suprimirse completamente si as se desea. La puesta en marcha se lleva a cabo colocando en la cmara de aireacin una siembra de lodo activo recogido en una depuradora en operacin y aclimatndole gradualmente al agua residual en estudio. Para aguas residuales de origen industrial que contengan compuestos txicos para los microorganismos, se alimentan al reactor mezclas de aguas residuales industriales y aguas negras urbanas con una proporcin cada vez mayor del agua residual industrial. A veces, la alimentacin es agua residual industrial al 100 % sin efectos perjudiciales sobre los microorganismos. El caudal se vara mediante el ajuste de la bomba peristltica y utilizando dimetros internos diferentes del tubo Tygon. La bomba funciona segn el principio peristltico proporcionando un movimiento alternativo de compresin y relajacin de la lnea de alimentacin con tubo Tygon, como se muestra en la figura 5.14 impulsando el agua residual a travs del tubo por un mecanismo de dedos cuya velocidad puede fijarse a voluntad.

Fig. 5.14. Reactor de flujo continuo, modelo a escala de laboratorio. En el recuadro (a), disposicin de la bomba peristltica para hacer trabajar cinco reactores en paralelo.

Una nica bomba proporciona el flujo de agua residual a varios reactores en paralelo cada uno provisto de su propia lnea de alimentacin Tygon (recuadro de la figura 5.14). Los dedos actan simultneamente sobre varios tubos Tygon proporcionando caudales diferentes para cada lnea dependiendo del dimetro interno de cada tubo.*

* La bomba Sigmamotor modelo T-9 (fabricada por Sigmamotor Inc., Houston, Texas) puede emplearse para manejar cinco unidades en paralelo.

Los caudales se determinan mediante calibracin, pesando o midiendo el volumen del efluente obtenido durante un perodo de tiempo, correspondiente a cada posicin de la bomba y para cada dimetro interno del tubo. Los caudales pueden reproducirse dentro

de una fluctuacin menor del 5%. Los caudales pueden variar considerablemente, desde 350 hasta aproximadamente 1,0 l/d. Para un volumen de cmara de aireacin de 7,0 litros estos caudales corresponden a un tiempo de residencia de:

Conforme la seccin del tubo Tygon sometida a esta accin de empuje continuo se desgasta se ablanda y cambian los caudales. Es aconsejable desplazar el tubo a intervalos peridicos de tiempo de forma tal que nuevas secciones del mismo sean las expuestas a la accin de los dedos. Se llevan a cabo calibraciones frecuentes para asegurarse de la bondad de los resultados. El tubo se reemplaza cuando est completamente desgastado. La principal diferencia en el principio de operacin entre este reactor a escala semipiloto y el de la escala real (figura 5.1) es que no se prev reciclado de lodo en la unidad semipiloto. El reciclado de lodo en el caso de la planta a escala real es necesario para mantener una concentracin constante de MLVSS en el reactor, una vez que se hayan alcanzado las condiciones de equilibrio. Con objeto de alcanzar este mismo objetivo de una concentracin constante de MLVSS en el reactor de laboratorio sin prever el reciclado de lodos, el procedimiento es:

1. Se determina peridicamente la concentracin de MLVSS en el licor del reactor en muestras recogidas de la lnea de drenaje.

2. Se extraen pesos calculados de MLVSS con objeto de mantenerla concentracin de este parmetro al valor seleccionado para un experimento especfico. Para reactores que operan con MLVSS bajo concentraciones de respiracin endgena sera necesario aadir lodo en lugar de extraerlo con objeto de mantener la repetida concentracin constante de MLVSS.

Cuando se coloca la pantalla deslizante, el reactor semipiloto se utiliza para simular la unidad de lodos activos tal como se ha descrito. Separando la pantalla deslizante, se consigue la simulacin de una laguna aireada (captulo 6, seccin 5). 6.2. Procedimiento experimental Cada experimento puede requerir de dos a cuatro semanas antes de conseguir las condiciones de equilibrio. Por esta razn es conveniente operar simultneamente cuatro o cinco reactores en paralelo.

1. Cada unidad se llena con lodo de siembra hasta un volumen predeterminado. Se lleva a cabo la dilucin con agua residual con objeto de obtener una concentracin de MLVSS de 2000 a 3000 mg/l. 2. Se conecta el aire y el contenido de la cmara de aireacin se mezcla completamente mediante la turbulencia as producida. Se ajusta la

pantalla deslizante para dejar una abertura de 6 a 13 mm en el fondo. Durante la operacin del reactor se realizan ajustes posteriores de la pantalla con objeto de conseguir la altura deseada de lodo en la cmara de decantacin y el intercambio de lodo entre las dos cmaras (figura 5.15).

Fig. 5.15. Vista en seccin de las cmaras de decantacin.

3. Se pone en marcha la bomba peristltica a un caudal necesario para obtener el tiempo de residencia deseado en la cmara de aireacin. Si fuera requerida la aclimatacin del lodo se realiza como se describi anteriormente. 4. Se opera el reactor hasta que se consigan las condiciones de equilibrio. Se supone que se han conseguido las condiciones de equilibrio cuando se satisfacen estos dos criterios (a) la velocidad de utilizacin de oxgeno (VUO) del contenido del reactor permanece inalterable (la determinacin de la velocidad de utilizacin de oxgeno se describe en la seccin 6.3.2) y (b) la DBO del efluente se hace estable. 5. Se mide diariamente, y se ajusta a un valor casi constante durante la duracin del experimento, la concentracin de MLVSS. Para comprobar el aumento neto de MLVSS, se tapona el vertedero de descarga, se eleva la pantalla y se extrae una muestra del tanque. Si Vt es el volumen total (cmara de aireacin ms cmara de sedimentacin) y se realizan dos determinaciones de MLVSS cada 24 h, obtenindose los valores X1 y X2, el aumento neto de MLVSS es:

(5.109)

Los valores (X1, X2) representan concentraciones promediadas de MLVSS para el volumen total del tanque, ya que la pantalla ha sido retirada y el contenido de las dos cmaras se ha mezclado. En esencia, no se presenta crecimiento de lodos en la cmara de sedimentacin ya que all no hay una aireacin directa. Por lo tanto, el valor de DXV calculado segn la ecuacin (5.109) representa el crecimiento neto que se presenta en la cmara de aireacin. Para aplicar la ecuacin (5.72) se recomienda tomar XV,a como la concentracin de MLVSS determinada despus de que la pantalla se ha retirado. Esto puede parecer contradictorio ya que en la ecuacin (5.72) XV.a representa la concentracin de MLVSS en la cmara de aireacin durante la operacin (V es el volumen de la cmara de aireacin). La concentracin de MLVSS en la cmara de sedimentacin es probablemente diferente de la del reactor. En el fondo de la cmara de sedimentacin hay una manta de lodos a una concentracin muy elevada de MLVSS y en la parte superior un lquido sobrenadante con una concentracin despreciable de MLVSS. Despus que la pantalla se levanta. esta masa heterognea de la cmara de sedimentacin se mezcla con el contenido del reactor. El volumen completo se mezcla vigorosamente antes de tomar la muestra. Los diseadores de este reactor de laboratorio indican que no existe prcticamente diferencia entre la concentracin de MLVSS en la cmara de aireacin durante la operacin y la de la mezcla total de las dos cmaras. En cualquier caso, es prcticamente imposible retirar muestras representativas de la cmara de aireacin durante la operacin para llevar a cabo anlisis de XV,a. Recurdese tambin que el volumen de la cmara de sedimentacin es mucho ms pequeo que el de la cmara de aeracin (relacin de aproximadamente 3/7). Por lo tanto la concentracin de MLVSS en el contenido mezclado de las dos cmaras no es demasiado diferente del de la cmara de aireacin durante la operacin. 6. Una vez que se ha conseguido la operacin en estado de equilibrio se sigue el programa de muestreo que se presenta en la tabla 5.3.

CUADRO 5.3

6.3. Clculo de los parmetros biocinticos El clculo de los parmetros k, Y, a, kd, y b se realiza a partir de los datos obtenidos. En las secciones 6.3.1 a 6.3.3 se describen los procedimientos para dicho clculo. 6.3.1. Determinacin de la velocidad de consumo de sustrato (k) Esta determinacin, basada en las ecuaciones (5.20) o (5.21), se describe en la seccin 3.2 (vanse las figuras 5.5 y 5.6). 6.3.2. Determinacin de los parmetros de utilizacin de oxgeno a y b Esta determinacin se basa en la ecuacin (5.89), vase la figura 5.9, en la que = VUO/XV.a. Posiblemente el mtodo ms sencillo para determinar la velocidad de utilizacin de oxgeno (VUO) es mediante medidas de oxgeno con clula galvnica. Este es el nico mtodo descrito en esta seccin. Otros mtodos son polarogrficos o tcnicas Warburg con anlisis de los gases de venteo. De todos estos mtodos, la medida con clula galvnica es el ms sencillo, y su exactitud es normalmente suficiente. El aparato para esta medida es el analizador de oxgeno disuelto (analizador OD) descrito en el captulo 2 (seccin 2.3.1) y mostrado en la figura 2.5. La tcnica experimental para medir la velocidad de utilizacin de oxgeno (VUO), es [6]:

1. Se llena el frasco de DBO con licor mezclado aireado de la solucin ensayo.

2. Se introduce el electrodo en el frasco, haciendo desplazar lquido mediante derrame. Se tiene cuidado de no acumular burbujas de aire dentro del frasco. 3. Se mezcla el contenido mediante agitador magntico.

Fig. 5.16. Determinacin de la velocidad de utilizacin del oxgeno.

4. Se registran las lecturas galvanomtricas a diferentes intervalos de tiempo, normalmente 30 s. 5. Se corrigen las lecturas basndose en un factor predeterminado de sensibilidad (vase la referencia [6] para mayor detalle), y se representa el nivel de oxgeno disuelto en ordenadas en funcin del tiempo en abscisas (figura 5.16). 6. En la figura 5.16. la pendiente de la lnea es la velocidad de utilizacin de oxgeno (VUO) en mg/(l)(min). La velocidad especfica de utilizacin de oxigeno ( ) se determina dividiendo el valor anterior por la concentracin de MLVSS en la muestra de ensayo. En la figura 5.16 los puntos correspondientes a los primeros datos inmediatamente despus de t = 0 no se toman en cuenta en la evaluacin de la pendiente. La mayor pendiente de esta seccin de la lnea es debida a la prdida de aire atrapado en el licor. Despus de unos pocos minutos la pendiente se estabiliza y se toma como velocidad de utilizacin de oxgeno. A las lecturas se aplica una correccin de temperatura, disponible en los nomogramas que suministra el fabricante del equipo de medida. Las lecturas del electrodo son inexactas para concentraciones de OD

inferiores a 0,5 mg/l. La transferencia del licor mezclado del reactor al analizador de OD debe ser rpida y el ensayo debe comenzarse lo antes posible a partir de la extraccin de la muestra. Si el consumo de oxigeno es demasiado rpido la muestra se diluye con objeto de reducir la concentracin de MLVSS. Es aconsejable calibrar el electrodo en una muestra de agua similar a la que se usa en el analizador de OD con objeto de eliminar errores debidos al efecto salino.

6.3.3. Determinacin de los parmetros de produccin de la biomasa (Y y kd) Esta determinacin se basa en la ecuacin (5.76), vase la figura 5.8. determinndose la produccin de biomasa DXV tal como se describe en la seccin 6.2, ecuacin (5.109). En resumen, la informacin ms importante extrada de los estudios a escala de laboratorio es la capacidad de consumo de productos orgnicos de un lodo biolgicamente aclimatado que recibe un agua residual determinada. Las plantas a escala real que operan bajo criterios de diseo que usa este reactor producen un efluente que se aproxima a la calidad predicha. Mas an, las velocidades de utilizacin de oxgeno se calculan con una exactitud relativa a partir de los reactores a escala de laboratorio hasta las unidades a escala real. Sin embargo hay alguna dificultad al trasladar y aplicar los coeficientes Y y kd desarrollados en reactores a escala de laboratorio hasta la escala real debido a las limitaciones inherentes a la poca exactitud del ensayo de los VSS y a la dificultad de establecer un balance de slidos en estudio de simulacin a pequea escala. Empleando reactores mayores a escala semipiloto se aumenta la exactitud en la determinacin de estos coeficientes. Afortunadamente, la exactitud de los coeficientes Y y kd es menos importante para el diseo que la de las constantes de velocidad de consumo k y los coeficientes de demanda de oxgeno (a, b). 6.4. Ejemplo numrico: determinacin de los parmetros biocinticos en los sistemas de lodos activos Ejemplo 5.1. Se est considerando un sistema de lodos activos para el tratamiento de una cierta agua residual. Se realizaron estudios de tratabilidad a escala laboratorio en reactores continuos (figura 5.14) a 20 C. El volumen de la cmara de aireacin en los reactores de laboratorio es de 7 litros. Se pusieron en operacin cuatro reactores en paralelo hasta que se consiguieron las condiciones de equilibrio. Los datos tomados se presentan en el cuadro 5.4. A partir de estos datos determnense los parmetros biocinticos k, a, b, Yy kd. Unidades: DBO5, d, mg/l. Parte 1. Cintica del consumo e IVL en funcin de A/M. Paso 1. Con los datos del cuadro 5.4 se construye el cuadro 5.5. Paso 2. Se representa q, columna 9, cuadro 5.5, en funcin de Se, columna 3, cuadro 5.5. El grfico se presenta en la figura 7.17. Paso 3. Se determina la pendiente de la lnea recta de la figura 5.17.

o

CUADRO 5.4

Fig. 5.17. Determinacin grfica de k (Ejemplo 5.1)

CUADRO 5.5

Fig. 5.18. Representacin de IVl en funcin de A/M (Ejemplo 5.1.).

CUADRO 5.6

Paso 4. Se representa IVL, columna 11, cuadro 5.5, en funcin de A/M, columna 10, cuadro 5.5. La grfica se muestra en la figura 5.18. Parte 2. Parmetros de utilizacin de oxgeno a y b. Paso 1. Con los datos de los cuadros 5.4 y 5.5 se forma el cuadro 5.6. Paso 2. Se representa , columna 5, cuadro 5.6, en funcin de q, columna 6, cuadro 5.6. La grfica se muestra en la figura 5.19. Paso 3. Se determina la pendiente y la ordenada en el origen de la figura 5.19.

o

Fig. 5.19. Determinacin grafica de a y b (Ejemplo 5.1.).

CUADRO 5.7

CUADRO 5.8

Parte 3. Parmetros de la produccin de biomasa Y y kd. Paso 1. Con los datos de los cuadros 5.4 y 5.5 se forma el cuadro 5.7. Paso 2. Se representa , columna 7, cuadro 5.7, en funcin de q, columna 8, cuadro 5.7. El grfico se muestra en la figura 5.20. Paso 3. Determinacin de la pendiente y de la ordenada en el origen de la linea recta de la figura 5.20.

o

Resumen. Parmetros biocinticos (ejemplo 5.1). T = 20C.

En el cuadro 5.8 se presentan valores tpicos de los parmetros biocinticos k, Y, kd y a para distintas aguas residuales. Ntese que b/kd = 0,0852/0.06 =1.42.

Fig. 5.20. Determinacin grfica de kd e Y (ejemplo 5.1).

7. PROCEDIMIENTO DE DISEO DE LAS PLANTAS DE LODOS ACTIVOS 7.1. Introduccin El diseo de las plantas de lodos activos se puede llevar a cabo a partir del conocimiento de los parmetros de diseo k, Y, kd, a y b. En el reactor de laboratorio de la figura 5.14, no hay reciclado de lodos. La produccin neta de lodos se extrae intermitentemente para mantener una concentracin media constante (XV,a) de MLVSS en la cmara de aireacin. Para la planta real, el lodo se recicla tal como se presenta en la figura 5.1. Una variable fundamental seleccionada por el diseador es la concentracin XV,a de MLVSS en el reactor. En la seccin 7.4 se calcula el caudal de reciclado de lodo QR para proporcionar esa concentracin elegida. Normalmente XV.a est comprendida entre 2000 y 3000 mg/l para el caso de una planta convencional de lodos activos. Otra variable fundamental que elige el proyectista es la concentracin VV,u, de MLVSS en el lodo de reciclado (corriente 7 en la figura 5.1), que es asimismo igual a la concentracin de MLVSS en la descarga del clarificador secundario [corriente 5]. La concentracin XV,u es asimismo igual a la de la corriente 6 (purga). Se espera una sedimentacin

adecuada del lodo para alcanzar una concentracin de XV,u entre 10000 y 15000 mg/l de MLVSS. En condiciones de equilibrio no existe acumulacin de lodo. Por ello la produccin neta de lodo en el reactor debe separarse en la purga (corriente 6). A efectos de los clculos en los balances de materia se supone que la purga es continua. En la prctica esto se lleva a cabo normalmente de una forma intermitente mediante la disposicin que se muestra en la figura 5.21. ya que frecuentemente es demasiado pequea para justificar la extraccin continua.

Fig. 5.21. Disposicin para la purga de lodo.

Las lneas de purga y retorno estn provistas de las vlvulas que se indican. Las vlvulas actan por temporizadores para la purga intermitente de lodo (por ejemplo, 5 min cada hora). 7.2. Ecuaciones de diseo en funcin de las variables de la alimentacin inicial Todas las ecuaciones desarrolladas en las secciones 3 a 5 y resumidas en el cuadro 5.2 se escribieron en funcin del caudal (Q0) y de la concentracin de sustrato (S0) de la alimentacin combinada, figura 5.13. Para el caso del reactor continuo de laboratorio, ya que no hay corriente de reciclado, Q0 y S0 son los datos reales de alimentacin, de forma tal que las ecuaciones se aplicaron exactamente en la forma escrita para la determinacin de los parmetros, tal como se muestra en el ejemplo 5.1. Para disear una planta de lodos activos (figura 5.1) es deseable volver a escribir todas las ecuaciones de trabajo en funcin de las variables primarias correspondientes a la alimentacin inicial. El primer paso para escribir esta red de ecuaciones de diseo ser

establecer la relacin entre las variables correspondientes a la alimentacin inicial, corriente 1 en la figura 5.1, y aquellas pertenecientes a la alimentacin combinada, corriente 2 en la figura 5.1. Estas relaciones se obtienen fcilmente escribiendo balances de materia correspondientes al circuito representado por ---- en la figura 5.1, esto es, alrededor de la unin de la corriente de alimentacin inicial con la corriente de reciclado, corriente 7 en la figura 5.1, para formar la alimentacin combinada. Esto se lleva a cabo en las secciones 7.2.1 a 7.2.3. 7.2.1 Balance de materia para Q0 La relacin entre los caudales de Q0 y Qf, ya escrita en la seccin 1, es la ecuacin(5.4): Q0 = Qf (1 + r). 7.2.2 Balance de materia para S0 La DBO de la alimentacin combinada (S0) se calcula mediante un balance de DBO alrededor de la unin de la alimentacin inicial y el lodo de reciclado para formar la alimentacin combinada, esto es, el circuito ----de la figura 5.1. Este balance de materia es como sigue:

Por ello. en condiciones de equilibrio:

Por lo tanto:

(5.110)

De la ecuacin (5.110) el consumo de DBO soluble en el reactor es:

o:

(5.111)

7.2.3 Balances de materia para XV,o y XNV,o La concentracin de slidos voltiles en la alimentacin combinada (XV,o) se establece tambin mediante un balance de materia alrededor del circuito -------- de la figura 5.1.

Por ello, en condiciones de equilibrio:

Utilizando las ecuaciones (5.3) y (5.4) y despejando XV,o:

(5.112)

Se plantea un balance de materia similar para la concentracin de slidos en suspensin no voltiles en la alimentacin combinada (XNV,o). El resultado final es:

(5.113)

En la seccin 7.11 se describe el procedimiento para establecer el balan