FACULTAD DE INQIMERIA OVIL DIVISION DE ESTUDIOS SUPERIORES

FACULTAD DE INQIMERIA OVIL DIVISION DE ESTUDIOS SUPERIORES "CINETICA DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO I * AGUAS RESIDUALES PARA REUSO EN IRRIGACION DE AREAS

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FACULTAD DE INQIMERIA OVIL DIVISION DE ESTUDIOS SUPERIORES

"CINETICA DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO I * AGUAS RESIDUALES PARA REUSO EN IRRIGACION DE AREAS VERDES DE LA CIUDAD UNIVERSITARIA".

TESIS PRESENTADA EN OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA AMBIENTAL POR INC. GERARDO MENDEZ CASTRO

MONTERREY, N. 11

NOV1EM**'E 1965

1020072398

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DIVISION DE ESTUDIOS SUPERIORES

TESIS PRESENTADA l OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA-AMBIENTAL INC. GERARDO MENDEZ C

MONTERREY, X. U

T

M

Z

CÖS^A-

.

e s

p \ c

m

r

m

137700

MI M A S S I N C E R O

AGRADECIMIENTO

- A l D R . A L E J A N D R O R A M I R E Z R..f M a e s t r o de la M a e s t r í a en INGENIERIA AMBIENTALr FIC-UANL? durante

División de Estudios Superiores

p o r su v a l i o s a

ayuda, a s e s o r a m i e n t o y

la c a r r e r a y en el d e s a r r o l l o

de e s t e



consejos

estudio.

- A todos los M a e s t r o s de la D i v i s i ó n d e E s t u d i o s S u p e r i o r e s d e la F I C - U A N L ; por la a p o r t a c i ó n — d e s i n t e r e s a d a de sus c o n o c i m i e n t o s .

- A m i s c o m p a ñ e r o s de las M a e s t r í a en I N G E N I E R I A A M B I E N T A L y SALUD PUBLICA? p o r su g r a n c o l a b o r a c i ó n y amistad m o s t r a d a d u r a n t e t o d a la c a rrera .

- A l ING. ANASTACIQ. VAZQUETZ J e f e d e la Divi — sión de E s t u d i o s d e P o s t g r a d o , F I C - U A N L ; p o r su c o l a b o r a c i ó n d u r a n t e m i e s t a n c i a en M o n t e — rrey, en el t r a n s c u r s o de la c a r r e r a y sobre todo p o r su i n a p r e c i a b l e a m i s t a d .

- A la S r a . M a r i c e l a C a n t ú d e Ramos? por su gran ayuda en la e l a b o r a c i ó n d e l trabajo m e c a n o g r á f ico.

- A todos a q u e l l a s p e r s o n a s q u e de a l g u n a m a n e r a h i c i e r o n p o s i b l e el d e s a r r o l l o y t e r m i n a c i ó n de este trabajo.

D E D I C A T O R I A ;

A MIS

PADRES;

Teodoro Méndez

Herrera

Erlinda Castro

Jiménez

Con m u c h o c a r i ñ o y g r a t i t u d , p o r sus s a c r i f i c i o s y d i r e c c i ó n lo largo de m i c a r r e r a

a

académica.

- A MIS

ABUELOS Con r e s p e t o y

gratitud

- A MIS HERMANOS Por eri apoyo

brindado

- A MIS FAMILIARES Y AMIGOS Con m u c h o

aprecio

- A JULIO, ORQUIDEA Y

CINDY

A q u i e n e s c o n s i d e r o como de m i familia.

propia

I

N

D

I

C

E

; Pág,

1.- RESUMEN

1

2.- G E N E R A L I D A D E S

3

2.1

Introducción

2.2

Objetivo -

- - - - - - - - - - - - - - - - - -

3 6

3.- A N T E C E D E N T E S 3.1

Tratamiento Biológico

3.2

C i n é t i c a del C r e c i m i e n t o

-

g

-

8

- - - - - - - - - - - Biológico - - - - - - -

4.- M A T E R I A L E S Y M E T O D O S - - - - - - - - - - - - - - -

n

-

18

4.1

Materiales - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

18

4.2

Métodos y Técnicas - - - - - - - - - - - - - - -

20

4.3

A n á l i s i s de P a r á m e t r o s C o n t r o l a d o s

21

en el P r o y e c t o

5.- R E S U L T A D O S

26

5.1

Resultados Primera Etapa - - - — -

5.2

Resultados

- - - _

Segunda Etapa - - - - - - - - - -

6.- D E S A R R O L L O Y D I S C U S I O N DE R E S U L T A D O S

-

28

-

31

- - - - - - - -

38

6.1

D e s a r r o l l o P r i m e r a Etapa

- - - - - - - - - -

-

33

6.2

Desarrollo

S e g u n d a Etapa

- - - - - - - - - -

-

40

6.3

D i s c u s i ó n de R e s u l t a d o s

- - - - - - - - - - - -

7.- C O N C L U S I O N E S Y R E C O M E N D A C I O N E S

-

57

8.- L I T E R A T U R A C O N S U L T A D A

APENDICE APENDICE APENDICE APENDICE

A - - - - - - - - - -

55

_

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - - - - - - - - __ _

61

54

84 9Q

1,-

R E S U M E N

Para e l a b o r a r este e s t u d i o ,

se s e l e c c i o n ó el agua

residual

del c o l e c t o r Topo C h i c o , q u e p a s a p o r los t e r r e n o s de la

U.A.N.L.

la q u e se c a r a c t e r i z ó y se e n c o n t r ó q u e la c o m p o s i c i ó n m e d i a , tre o t r o s v a l o r e s tiene una DBO^ m e d i a de 380 m g / l t , con

en

valores

e x t r e m o s de 237 y 470 m g / l t . ; u n a DQO m e d i a de 645 m g / l t , con va lores e x t r e m o s d e 425 y 787 m g / l t . y; n i t r ó g e n o , n u t r i e n t e s , en cantidad

Para determinar miento biológico, laboratorio

fósforo y otros

s u f i c i e n t e para el c r e c i m i e n t o

biológico.

los c o e f i c i e n t e s de la c i n é t i c a d e l

creci-

se p u s i e r o n en m a r c h a 5 r e a c t o r e s a e s c a l a

(10 lts.), con flujo s e m i b a t c h

(Semi-continuo),

com-

p l e t a m e n t e m e z c l a d o s y, con t i e m p o s de r e t e n c i ó n h i d r á u l i c o i g u a l al t i e m p o de r e t e n c i ó n c e l u l a r d e : 3, 6, 10, 15 y 20 Al s i s t e m a se le p r o p o r c i o n ó ,

c o n d i c i o n e s ó p t i m a s p a r a el

de

días.

creci-

m i e n t o b a c t e r i a l : pH entre 6.2 y 8.3; t e m p e r a t u r a d e 2 5 - 1°C y oxígeno

suficiente.

Además,

se c o n t r o l ó la e x i s t e n c i a d e n u - -

t r i e n t e s , de m i c r o o r g a n i s m o s v i v o s y, se m i d i e r o n p a r á m e t r o s

co-

m o : D B O , DQO, SST, SSV, N . P, o x í g e n o distfélto y o b s e r v a c i o n e s m i c r o s c ó p i c a s q u e g a r a n t i z a r o n el buen f u n c i o n a m i e n t o d e l ma.

T a m b i é n se llevo a cabo una e v a l u a c i ó n d e l grado de

lización

a l c a n z a d o , en los

estabi-

se c o n s i d e r a r o n d e b i d a m e n t e

estabili_

los a n á l i s i s r e q u e r i d o s p a r a o b t e n e r los co

e f i c i e n t e s : Y, K^, K, K g / sedimentabilidad

siste-

reactores.

C u a n d o los r e a c t o r e s , zados, se r e a l i z a r o n

-

de los

a', b' y, se r e a l i z a r o n

los e n s a y o s

de

lodos.

A d e m á s d e los p a r á m e t r o s m e d i d o s en la e t a p a p r e v i a a la estabilización, sobrenadante

se r e a l i z a r o n m e d i c i o n e s en el agua r e s i d u a l y -

de los c o n t e n i d o s d e los r e a c t o r e s d e : d u r e z a

ca y m a g n é s i c a ,

alcalinidad,

sodio, s u s t a n c i a s

cálci_

a c t i v a s al azul

metileno, nitritos, nitratos, cloruros, grasas y aceites y

de

conduc



tividad y d e s ó l i d o s s u s p e n d i d o s

Mediante se o b t u v o : K d = b a s a d o s en

sobrenadante,

los m o d e l o s p r e s e n t a d o s por M e t c a l f y Eddy 0.001 d í a s " 1 y K ¿ =

0.003 d í a s " 1 ; Y = 0 . 7 9 y

la DBO,. y la DQO r e s p e c t i v a m e n t e .

tan, p e r o no se r e c o m i e n d a traños

t o t a l e s en el

K y K _, se

Y=0.55, repor-

el uso de é s t o s , por dar v a l o r e s

ex-

(negativos).

U t i l i z a n d o el m o d e l o d e s a r r o l l a d o por E c k e n f e l d e r y (4), para y b'=

(6),

la d e m a n d a de o x í g e n o ,

0.12 gr,

02/gr,

se o b t u v o : a'=0.79

gr O ^ / g r

zonal y por c o m p r e n s i ó n ,

las c a r a c t e r í s t i c a s

(7), p a r a

se hizo un a n á l i s i s de -

de s e d i m e n t a b i l i d a d

ciones d e s ó l i d o s en el c o n t e n i d o de los

a diferentes

concentra-

reactores.

Los v a l o r e s de los c o e f i c i e n t e s m e n c i o n a d o s ,

son

compara-

dos con los v a l o r e s t í p i c o s r e p o r t a d o s en la l i t e r a t u r a . coeficientes

a' y b', se e n c u e n t r a n d e n t r o _ d e l rango

Los -

reportado?

m i e n t r a s que, Y esta en el límite superior y Kd se sale del mite inferior.

SSV

SSV-día.

Por el m é t o d o d e s a r r o l l a d o p o r T a l m a d g e y F i t c h sedimentación

Ford

Las c o m p a r a c i o n e s ,

los c o e f i c i e n t e s o b t e n i d o s ,

se realizaron

lí-

con el v a l o r

de

sin ser a j u s t a d o s por f a c t o r e s de

se

guridad.

Para e f e c t u r a r

el d i s e ñ o de la p l a n t a p r o t o t i p o ;

los coefi_

c i e n t e s y r e s u l t a d o s o b t e n i d o s en e s t e trabajo, d e b e n ser

ajusta

dos con f a c t o r e s de s e g u r i d a d q u e v a r í a n en cada caso, como se i n d i c a en el

reporte.

2.-

2.1

G E N E R A L I D A D E S

INTRODUCCION.-

El agua es un e l e m e n t o e s e n c i a l para

los seres v i v o s , el -

uso d e ésta en d i v e r s a s a c t i v i d a d e s c r e a d a s por el h o m b r e , dá como r e s u l t a d o g r a n d e s c a n t i d a d e s d e a g u a s r e s i d u a l e s o d e cho q u e , al ser d i s p u e s t o s d i r e c t a m e n t e agua,

los va t o r n a n d o p r o g r e s i v a m e n t e

dese

sobre los c u e r p o s de

inadecuados,

hasta

los i n u t i l i z a b l e s p a r a los p r o p ó s i t o s que el h o m b r e



hacer-

requiere.

Es a s í como se h a c e i n e v i t a b l e el t r a t a m i e n t o d e las a g u a s resi^ duales, mediante controlar

sistemas y procesos

eficientes que permiten

la c o n t a m i n a c i ó n d e los c u e r p o s de

PRONAES

--

agua.

(Programas N a c i o n a l e s de A p o y o a la E d u c a c i ó n

Supes

r i o r ) , dio el p a t r o c i n i o p a r a q u e la U n i v e r s i d a d A u t ó n o m a de N u e v o L e ó n , en c o n j u n t o con la S e c r e t a r í a de E d u c a c i ó n realicen

Pública,

los e s t u d i o s n e c e s a r i o s para p r o y e c t a r una p l a n t a

t r a t a m i e n t o de a g u a s r e s i d u a l e s , para la Ciudad con el o b j e t o d e u t i l i z a r el a g u a t r a t a d a para j a r d í n e s y zonas v e r d e s ; de E s t u d i o s S u p e r i o r e s

para

Universitaria, la i r r i g a c i ó n

a d e m á s de p r o p o r c i o n a r

(Postgrado) una fuente d e

-

investigación, ope

mantenimiento.

Es i m p o r t a n t e h a c e r n o t a r q u e de r e a l i z a r s e ción de d i c h a p l a n t a de t r a t a m i e n t o , a l g u n a s v e n t a j a s a la ciudad

1.

de

a la D i v i s i ó n

r e a l i z a n d o e s t u d i o s de e f i c i e n c i a y a n a l i z a n d o p r o b l e m a s de ración y



t r a e r í a como

de M o n t e r r e y ,

la c o n s t r u c consecuencia

como:

L i b e r a r agua 4 e p r i m e r uso y p o t a b l e p a r a un n ú m e r o yor de p e r s o n a s ,

-

al c o n s u m i r el agua q u e en la

dad se usa p a r a el riego de áreas v e r d e s y

ma

actuali

jardines.

2.

Ganancias económicas:

c o n s i d e r a n d o q u e el c o s t o

agua t r a t a d a , b a s a d o en

del

la o p e r a c i ó n y m a n t e n i m i e n t o

en p l a n t a s p a r a t r a t a m i e n t o d e aguas r e s i d u a l e s con



o x i d a c i ó n b i o l ó g i c a , en M o n t e r r e y o s c i l a e n t r e 3 y 11 3 3 pesos/m con un p r o m e d i o de 7 p e s o s / m (1985) y el e o s to d e l agua d i s t r i b u i d a p o r s e r v i c i o s de agua y je de M o n t e r r e y es de a p r o x i m a d a m e n t e d e 18.5 (Agosto

drena-

pesos/m

'85).

La d o t a c i ó n de agua p o t a b l e en la Ciudad

Universitaria,

p r o v i e n e una p a r t e de la c o m p r a a "Servicios de A g u a y D r e n a j e de M o n t e r r e y " , y o t r a d e p o z o s u b i c a d o s en Ciudad U n i v e r s i t a r i a ,

e s t a ú l t i m a con un costo infe-

rior a los m e n c i o n a d o s ?

pero p o r ser agua d e b u e n a

lidad, se d e b e d e j a r p a r a s a t i s f a c e r n e c e s i d a d e s p r i m e r orden

(uso d o m é s t i c o ) , y no en u s o s

d o n d e se p u e d e u s a r a g u a de m e n o r c a l i d a d d e zonas v e r d e s y

Para proporcionar ser r e u t i l i z a d a ,

ca-

de

secundarios (Ejem.

riego

jardines),

a

se r e a l i z a r o n e s t u d i o s de^_caLidad y c a n t i d a d

-

cércanosla

la Ciudad

Los c o l e c t o r e s p o t e n c i a l e s e s t u d i a d o s

fueron los

Universitaria. siguientes:

C o l e c t o r de a g u a s r e s i d u a l e s p r o d u c i d a s en la C i u d a d Universitaria: te c o l e c t o r ,

se c o n s i d e r ó

i n c o n v e n i e n t e el u s o

d e b i d o a q u e las- d e s c a r g a s d e aguas

d u a l e s g e n e r a d a s en la Ciudad U n i v e r s i t a r i a tínuas

-

la m e j o r a l t e r n a t i v a d e l agua r e s i d u a l

d e l agua de los c o l e c t o r e s

1.

la

tivos, no hay g e n e r a c i ó n

Químicas, Ciencias Biológicas,

laboratorios

con fes-

(Ciencias

Ingeniería Civil,

p u e d e n p r e s e n t a r a l t a s c a r g a s t ó x i c a s q u e son

residuales.

resi-

de aguas r e s i d u a l e s ) , y q u e

las d e s c a r g a s de los d i v e r s o s

cias i n h i b i d o r a s

de

no son

(durante la é p o c a d e v a c a c i o n e s y los d í a s

-

-

etc.)

substan-

al t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o d e las

aguas

2.

C o l e c t o r d e la ciudad d e M o n t e r r e y q u e pasa por la C o lonia

3.

Hidalgo.

C o l e c t o r de la ciudad de M o n t e r r e y q u e pasa p o r rrenos d e la C i u d a d U n i v e r s i t a r i a

denominado

los

te

"Topo Chi_

co".

En los c o l e c t o r e s H i d a l g o y Topo C h i c o ,

se r e a l i z a r o n

estu

dios d e c a l i d a d y c a n t i d a d del a g u a , t o m a n d o m u e s t r a s cada h o r a s ; en el p r i m e r o ,

del 11 al 14 d e d i c i e m b r e d e 1984 y, en -

el segundo d e l 14 al 18 de d i c i e m b r e de 1984. sis r e a l i z a d o s

Entre los

análi-

se i n c l u y e n : D e m a n d a B i o q u í m i c a d e O x í g e n o ,

m a n d a Q u í m i c a de O x í g e n o , F o s f a t o s , N i t r ó g e n o , S ó l i d o s y Suspendidos,

dos

PH, A l c a l i n i d a d ,

Totales

Dureza, Grasas y Aceites,

t a n c i a s a c t i v a s al azúl de M e t i l e n o y

En b a s e a la c a r a c t e r i z a c i ó n

De—

sus—

Conductividad.

de las aguas r e s i d u a l e s d e

am

bos c o l e c t o r e s y, c o n s i d e r a n d o q u e el c o l e c t o r H i d a l g o no

garan

tiza el gasto c o n t i n u o p a r a los r e q u e r i m i e n t o s

prin-

cipio del e s t u d i o

(50 l.p.s.)

se s e l e c c i o n ó al c o l e c t o r Topo Chi_

co como el indicado p a r a e f e c t u a r

las estücTíos d e t r a t a b i l i d a d

d e s v i a r el a g u a del m i s m o p a r a a l i m e n t a r

El t r a t a m i e n t o d e a g u a s r e s i d u a l e s , en o x i d a r l a s ,

fijados al

o sea t r a n s f o r m a r

sus

la P l a n t a

ganismos.

Prototipo.

consiste básicamente

c o m p o n e n t e s en

s i m p l e s , en sales m i n e r a l e s , d i ó x i d o d e c a r b o n o ,

agua y m i c r o o r

La o x i d a c i ó n p u e d e r e a l i z a r s e a t r a v é s de

en el agua r e s i d u a l

-

compuestos

reacciones

e n z i m á t i c a s p r o m o v i d a s p o r m i c r o o r g a n i s m o s q u e se d e s a r r o l l a n proliferan

y

y

rica en s u s t a n c i a s o r g á n i c a s

que

e s t e m é t o d o es conocido como p r o c e s o

bio

El s i s t e m a de t r a t a m i e n t o m á s e m p l e a d o , d e a c u e r d o con

la

le sirven de alimento; lógico.

l i t e r a t u r a y q u e ha dado m e j o r e s en la Ciudad U n i v e r s i t a r i a

r e s u l t a d o s p a r a el p o s p ó s i t o

(irrigación

de áreas v e r d e s y

-

jardí-

n e s ) . es el s i s t e m a de lodos

activados.

D e b i d o a los f a c t o r e s q u e se deben t e n e r en c u e n t a en el d i s e ñ o de un p r o c e s o de lodos a c t i v a d o s , lizar e s t u d i o s de t r a t a b i l i d a d

se h a c e n e c e s a r i o

a n i v e l de l a b o r a t o r i o ,

do r e c t o r e s a p e q u e ñ a e s c a l a , a los q u e se les d e b e nar c a r a c t e r í s t i c a s ner en la p l a n t a

2.2.

hidráulicas

rea-

utilizan

proporcio--

s i m i l a r e s a las q u e se v a n a te

prototipo.

OBJETIVO.-

El p r o p ó s i t o d e e s t e t r a b a j o , es d e t e r m i n a r

los

coeficien-

tes d e la c i n é t i c a del c r e c i m i e n t o b i o l ó g i c o en las a g u a s d u a l e s t o m a d a s d e l c o l e c t o r T o p o Chico q u e p a s a p o r los nos de la U n i v e r s i d a d

A u t ó n o m a de N u e v o L e ó n .

Dichos

resiterre—

coeficien

tes son n e c e s a r i o s para el d i s e ñ o de la p l a n t a de t r a t a m i e n t o de aguas r e s i d u a l e s q u e se p r o y e c t a c o n s t r u i r en la para i r r i g a c i ó n d e áreas v e r d e s y jardines. por d e t e r m i n a r

1.

Universidad,

Los c o e f i c i e n t e s

-

incluyen:

K= T a s a m á x i m a d e u t i l i z a c i ó n de s u b s t r a t o por d e m a s a de

2.

-

unidad

micoorganismos.

K g = Concentración

de substrato para la cual la t a s a

u t i l i z a c i ó n de substrato p o r u n i d a d de peso d e croorganismos,

es la m i t a d de la tasa m á x i m a ,

de

mi-masa/

volumen. 3.

Y= C o e f i c i e n t e d e p r o d u c c i ó n

crecimiento, masa de

las formadas por m a s a de substrato 4.

C o e f i c i e n t e de d e c a i m i e n t o

endógeno,

5.

a'= F r a c c i ó n d e s u b s t r a t o r e m o v i d o ,

6.

b'= Taza de r e s p i r a c i ó n

7.

E s t u d i o s de

consumido.

endógena, y

sedimentabilidad

tiempo

(DBO,.) .

célu

Los a n á l i s i s r e q u e r i d o s p a r a c u m p l i r dicho o b j e t i v o , r e a l i z a r o n en el l a b o r a t o r i o de I n g e n i e r í a A m b i e n t a l U.A.N.L.). julio de

El p r o y e c t o

1985.

se

(F. I.C.

inició en abril de 1985 y t e r m i n ó

en

3.-

3.1

TRATAMIENTO

A N T E C E D E N T E S

BIOLOGICO.-

Históricamente

los s i s t e m a s de t r a t a m i e n t o

biológico,

han

sido d i s e ñ a d o s en b a s e a p a r á m e t r o s h i d r á u l i c o s como

la tasa

flujo.

considera-

La c o m p o s i c i ó n d e las a g u a s r e s i d u a l e s

do d e p o c a i m p o r t a n c i a en la d e t e r m i n a c i ó n mente porque

se ha

del d i s e ñ o ;

se c o n o c í a p o c o a c e r c a d e las r e a c c i o n e s

cas q u e o c u r r e n en el p r o c e s o de t r a t a m i e n t o .

probable bioquími-

El d i s e ñ o

tual de s i s t e m a s de t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o , b a s a d o

de

even-

estrictamente

en c o n d i c i o n e s h i d r á u l i c a s , no es a d e c u a d o y no a s e g u r a u n a efi^ ciente operación del

sistema.

D e b i d o a la i n c a p a c i d a d m e n c i o n a d a del d i s e ñ o d e

sistemas

de t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o en b a s e a c o n d i c i o n e s h i d r á u l i c a s , han r e a l i z a d o n u m e r o s o s

intentos para d e f i n i r la c i n é t i c a d e l -

t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o , y en b a s e a ésta d e t e r m i n a r los tros de d i s e ñ o

paráme--

físico.

En los ú l t i m o s años se han r e a l i z a d o m u c h o s i n t e n t o s rimentos) para mejorar

de estas

con sus p r o d u c t o s de la f e r m e n t a c i ó n ,

células Muchas

se venden en el c o m e r c i o bajo d i f e r e n t e s

n o m b r e s para aplicaciones

-

especializadas,

g r a s a s , r o m p i m i e n t o de e s p u m a s ,

(solubilización

de

---

gene

ral e s t e m é t o d o de t r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o es a p l i c a d o en a g u a s i n d u s t r i a l e s y m u n i c i p a l e s , por lo q u e han sido

to de c o n s i d e r a c i ó n

-

etc.).

El p r o c e s o d e lodos a c t i v a d o s es m u y e f e c t i v o , por lo

residuales

~

fermentación

a d i t i v o s b i o c a t a l í t i c o s y la c o m b i n a c i ó n de

sustancias

-

Se han d e s a r r o l l a d o v a r i o s t i p o s

d e e n z i m a s , c u l t i v o s b a c t e r i a l e s , p r o d u c t o s d e la

microbiológicas

(expe

la e f i c i e n c i a en las p l a n t a s de t r a t a -

miento de aguas residuales.

bacterial,

se

teórica y estudio

experimental.

-

obje

El p r o c e s o de lodos a c t i v a d o s , materia orgánica coloidal y disuelta

involucra

a lodo m i c r o b i a l q u e

ser r e m o v i d o por los sistemas de s e d i m e n t a c i ó n desarrollado

física.

la c i n é t i c a

puede

descri--

Estos m o d e l o s por lo

del c r e c i m i e n t o b a c t e r i a l y

de

Se h a n

gran c a n t i d a d de m o d e l o s m a t e m á t i c o s para

bir la c i n é t i c a d e e s t e p r o c e s o . definen

la c o n v e r s i ó n

general

específicamente

la r e l a c i ó n

entre la tasa de c r e c i m i e n t o y la c o n c e n t r a c i ó n

substrato.

En m u c h a s p u b l i c a c i o n e s se tiene i m p l í c i t o q u e el

c r e c i m i e n t o es e x p o n e n c i a l o logarítmico

solamente para

m á x i m a d e c r e c i m i e n t o q u e , a su vez es e s t a b i l i z a d a cierta concentración Mckinney(2)).

c r í t i c a de s u b s t r a t o .

Esto d e m u e s t r a ,

la

tasa

(Eckenfelder(1);



es e x p o n e n c i a l a c u a l q u i e r

sobre o bajo el n i v e l c r í t i c o .

t a n t o p o r Garret y S a w y e r ( 3 ) ,

tración de

con-

Esto

como p o r

la r e l a c i ó n e n t r e la tasa de c r e c i m i e n t o y la

-

McCa-

concen-

substrato.

Estos autores

asumen q u e bajo t f e r t o n i v e l c r í t i c o d e

c e n t r a c i ó n de s u b s t r a t o , aumentada

-

denota

b e y E c k e n f e l d e r q u i e n e s u s a r o n d o s funciones d i f e r e n t e s p a r a describir

-

sin e m b a r g o , q u e la e x i s t e n c i a

por sí m i s m a q u e el c r e c i m i e n t o

ha sido m e n c i o n a d o

-

sobre u n a

de un e s t a d o e s t a b l e bajo c o n d i c i o n e s de flujo c o n t i n u o

c e n t r a c i ó n de s u b s t r a t o ,

del

linealmente

la tasa de c r e c i m i e n t o e s p e c í f i c a

con la c o n c e n t r a c i ó n d e s u b s t r a t o ,

tras q u e sobre el n i v e l c r í t i c o la tasa d e c r e c i m i e n t o q u e es i n d e p e n d i e n t e de la c o n c e n t r a c i ó n

Desafortunadamente

resultados

c o n los

pueden variar

significativamente.

tadas v a r i a c i o n e s localización

ecua-

localización

Además t a m b i é n son

residuales geográfica experimen

en la c o m p o s i c i ó n del agua, d e p e n d i e n d o de

en p a r t i c u l a r ,

la e s t a c i ó n ,

re-

erróneos.

la c o m p o s i c i ó n de las aguas

i n d u s t r i a l e s y m u n i c i p a l e s de d i f e r e n t e

asume

especial^

s u l t a d o s e x p e r i m e n t a l e s , m i e n t r a s q u e la a p l i c a c i ó n d e la ción de M i c h a e l i s M e n t e n p r o d u c e

-

Schulze

(3) d e m o s t r ó q u e la a p l i c a c i ó n de una función c o n t i n u a , m e n t e la e c u a c i ó n d e T e i s s i e r , p r o v e e c o n s e n t i m i e n t o

es

mien--

se

de s u b s t r a t o .

con

el día y la

hora.

la

La c a r a c t e r i z a c i ó n

de las aguas r e s i d u a l e s es un d a t o

e n t r a d a e s e n c i a l en el p r o c e s o d e diseño para a s e g u r a r q u e c o n d i c i o n e s d e s a l i d a sean s a t i s f e c h a s . rias p a r a la d e t e r m i n a c i ó n

A d e m á s de ser

las

necesa-

de los c o e f i c i e n t e s c i n é t i c o s q u e

d e s c r i b e n el d e s a r r o l l o m e t a b ò l i c o d e los m i c o o r g a n i s m o s d i e n d o del s u b s t r a t o y o t r o s c o m p o n e n t e s de las a g u a s les

de



depen-

residua-

caracterizadas.

Idealmente,

los c o e f i c i e n t e s c i n é t i c o s p u e d e n ser

n a d o s t e ó r i c a m e n t e , b a s a d o s en la c o n c e n t r a c i ó n d e los

determi componen

tes q u í m i c o s p r e s e n t e s en el d e s e c h o y otras c a r a c t e r í s t i c a s fí_ s i c a s , como la t e m p e r a t u r a . ta t e ó r i c a d i s p o n i b l e ,

D e b i d o a la a u s e n c i a d e

se han d e s a r r o l l a d o

técnicas

herramienexperimenta

les q u e logran dar un g r u p o de p a r á m e t r o s de d i s e ñ o r e a l e s un agua r e s i d u a l

específica.

En la d e t e r m i n a c i ó n

d e los p a r á m e t r o s de d i s e ñ o en

m a s d e lodos a c t i v a d o s , es n e c e s a r i o e x p e r i m e n t a r en nes similares

para

siste-

condicio-

a las q u e v a n a p r e v a l e c e r en el s i s t e m a d e

m i e n t o d e a g u a s r e s i d u a l e s , ha de ser c o n s t r u i d o .

trata

Muchas

veces

se ignora q u e los s i s t e m a s d e t r a t a m i e n t o estáíT~sujetos a

sobre

c a r g a s e v e n t u a l e s de v a r i o s c o m p o n e n t e s de las a g u a s

residuales.

D e b i d o a q u e t o d o s los m o d e l o s c i n é t i c o s de lodos a c t i v a d o s ponibles

se b a s a n en c o n d i c i o n e s d e estado e s t a b l e ,

las

di¿

conside

r a c i o n e s i n i c i a l e s d e d i s e ñ o deben incluir n i v e l e s a c e p t a b l e s de s o b r e c a r g a s

eventuales.

Desafortunadamente,

los p r o c e s o s r e q u é r i d o s p a r a la detei:

m i n a c i ó n de los c o e f i c i e n t e s

cinéticos

son t e d i o s a s y

aumentan

el costo de p r o y e c t o d e l sistema de t r a t a m i e n t o d e a g u a s duales. para

das,

Los p r o c e d i m i e n t o s

experimentales

resi-

toman v a r i o s m e s e s

su e j e c u c i ó n y r e q u i e r e n de m u c h a d e d i c a c i ó n y p e r s o n a l

lificado.

D e b i d o a los costos y a las d i f i c u l t a d e s

la d e t e r m i n a c i ó n

cos p a r a

-

ca

involucra—

e x p e r i m e n t a l de los c o e f i c i e n t e s

los p r o p ó s i t o s de diseño

-

cinéti-

son pocas v e c e s r e a l i z a d o s

en

e s t u d i o s de t r a t a m i e n t o de aguas r e s i d u a l e s m u n i c i p a l e s ; t u d i o s de a g u a s r e s i d u a l e s

industriales

se r e a l i z a n

en

es-

con m a y o r

-

frecuencia.

En el p r o c e s o d e lodos a c t i v a d o s , para d e t e r m i n a r f i c i e n t e de c r e c i m i e n t o "Kd", la tasa m á x i m a

el

coe-

"Y", el c o e f i c i e n t e de d e s c o m p o s i c i ó n

de u t i l i z a c i ó n de substrato

"K" y la

-

con--

c e n t r a c i ó n d e s u b s t r a t o para la cual la tasa d e u t i l i z a c i ó n s u b s t r a t o d e l m i s m o p o r u n i d a d de peso de m i c r o o r g a n i s m o s

del

es

la

m i t a d de la t a s a m á x i m a

"Ks"; n e c e s a r i o s p a r a el d i s e ñ o del

pro

ceso,

las i n s t a l a c i o n e s de t r a t a m i e n t o d e

lo-

suelen u t i l i z a r s e

dos a c t i v a d o s cho e s t u d i o ,

de tipo e x p e r i m e n t a l ,

se p u e d e u t i l i z a r un r e a c t o r e x p e r i m e n t a l d e

continuo o discontinuo

3.2

Para la r e a l i z a c i ó n de

CINETICA

di-

flujo

(semi^contínuo).

DEL C R E C I M I E N T O

BIOLOGICO.-

El p r o c e s o de lodos a c t i v a d o s , t e r r a por A r d e r n y Lockett

en 1914.

fue d e s a r r o l l a d o En los 30__años

en

Ingla-

siguientes

se le dio m u c h o é n f a s i s al c o n o c i m i e n t o d e la c o m p o s i c i ó n d e l agua r e s i d u a l

cruda influente y del efluente purificado de

procesos, pero que gobierna

se c o n o c í a m u y p o c o sobre la c i n é t i c a

el

-

los

microbial

proceso.

Investigaciones

c o n d u c i d a s por M o n o d , u t i l i z a n d o

cultivos

b a c t e r i a l e s p u r o s c o n d u j e r o n al d e s a r r o l l o del p r i m e r modelo, m a t e m á t i c o q u e d e s c r i b e la c i n é t i c a del c r e c i m i e n t o de la ria.

Monod, experimentaimente

e n c o n t r ó q u e el e f e c t o q u e

ce la e x i s t e n c i a de un n u t r i e n t e adecuadamente mediante concentración to d e los

limitante, puede ser

produ

definido

la s i g u i e n t e e x p r e s i ó n , que r e l a c i o n a

de un n u t r i e n t e limitante y la tasa de

microorganismos: S

(1)

bacte—

= y¿¿ m Ks + S

la

crecimien-

fí-

= tasa de c r e c i m i e n t o

específico,

(tiempo

^ ^ " m = tasa m á x i m a e s p e c í f i c a de c r e c i m i e n t o c e l u l a r S = c o n c e n t r a c i ó n d e substrato microorganismos Ks = c o n c e n t r a c i ó n

(tiempo

l i m i t a n t e q u e rodea

los -

(masa/volumen).

del s u b s t r a t o para

la cual

la t a s a

de

u t i l i z a c i ó n del m i s m o por u n i d a d d e peso de m i c o o r g a n i s m o s es la m i t a d d e la tasa m á x i m a

(masa/volumen).

D e b i d o a q u e M o n o d trabajó con c u l t i v o s b a c t e r i a l e s b a j o c i e r t a s c o n d i c i o n e s p a r a los m i c r o o r g a n i s m o s , ta r e l a c i ó n a l i m e n t o - m i c r o o r g a n i s m o s

justificar

la a p l i c a c i ó n d e la e c u a c i ó n

c r e c i m i e n t o d e lodos

como u n a

(F/M), y e x t r a p o l ó

dos d e n t r o d e la zona limitante d e substrato?

(1) p a r a la c i n é t i c a

de m i c r o o r g a n i s m o s .

s u l t a d o d e los c a m b i o s en la c o m p o s i c i ó n de las a g u a s les p u e d e n o c u r r i r v a r i a s

activa-

Como

re—

residua-

cosas;

(ejem, t r a n s f o r m a c i ó n de d i s t i n t a s

mas filamentosas),

sobre las

altere

su

colonias a

for for-

o

Q u e o t r a s e s p e c i e s de m i c r o o r g a n i s m o s dominar

so

otras.

Q u e una e s p e c i e e s p e c í f i c a de b a c t e r i a s ma

de

Q u e u n a e s p e c i e de b a c t e r i a s c o m i e n c e a p r e d o m i n a r b r e las

3.

resulta

activados.

dos c o n t i e n e u n a a m p l i a v a r i e d a d

2.

al-

se h a c e d i f í c i l

Como es b i e n c o n o c i d o , el licor m e z c l a d o de lodos

1.

puros

comiencen

a pre

bacterias.

T o d o s e s o s f a c t o r e s p u e d e n causar r e l a c i o n e s

cinéticas

el p r o c e s o de lodos a c t i v a d o s y v a r i a r s i g n i f i c a t i v a m e n t e

en

la re

lación de M o n o d ,

Se han d e s a r r o l l a d o v a r i a s m o d i f i c a c i o n e s de M o n o d que forman relaciones

las bases para el d e s a r r o l l o

c i n é t i c a s del p r o c e s o de lodos

a la e c u a c i ó n t e ó r i c o de

activados.

-

las

E c k e n f e i d e r ( 1 ) , p r o p o n e una r e l a c i ó n p a r a substrato que puede

la r e m o c i ó n de -

ser d e r i v a d a d e la e c u a c i ó n d e

( 2 )

Monod,

So ^ Se = KSe Xa 6h

So = c o n c e n t r a c i ó n

de substrato

Se = c o n c e n t r a c i ó n

de substrato e f l u e n t e

Xa = m a s a a c t i v a

(SSVLM)

9h = t i e m p o de d e t e n c i ó n

influente

(masa/volumen). (masa/volumen).

(masa/volumen). hidráulico

K = tasa de u t i l i z a c i ó n del

substrato.

M e K i n n e y ( 2 ) , e s t a b l e c e que en la f a s e de c r e c i m i e n t o creciente,

la tasa d e r e m o c i ó n de s u b s t r a t o es f u n c i ó n

te d e la c o n c e n t r a c i ó n ción

de--

solamen-

de s u b s t r a t o r e m a n e n t e y p r o p o n e

la e c u a

siguiente:

( 3 )

So - Se §h

= Km Se

Km = tasa c o n s t a n t e de u t i l i z a c i ó n d e s u b s t r a t o substrato removido/masa

Como se p u e d e v e r , producto

de

es e q u i v a l e n t e al

(Xa . K) de la e c u a c i ó n d e E c k e n f e i d e r ; y d e hecho

en s i s t e m a s b i o l ó g i c o s , están r e l a c i o n a d o s

totales de

es-

oxígeno

con el o x í g e n o

consu

s u m i n i s t r a r e n e r g í a p a r a la s í n t e s i s c e l u l a r y el

p u e d e ser s u m i i s t r a d o



Englande.

Se ha d e m o s t r a d o q u e los r e q u e r i m i e n t o s

q u e r i d o por la r e s p i r a c i ó n

-

substrato—a?eiTranente/día.

la Km de M e Kinney

to fue d e m o s t r a d o p o r G o o d m a n y

mido para

(masa de

endógena,

re-

Se a s u m e que el o x í g e n o

al sistema en el s i g u i e n t e

-

orden:

1.

P r o v e e r o x í g e n o p a r a remoción o r g á n i c a

2.

P r o v e e r o x í g e n o para r e s p i r a c i ó n e n d ó g e n a d o n d e por lí^

3.

biológica.

sis de c é l u l a s ,

se liberan c o m p u e s t o s o r g á n i c o s

bles o x i d a b l e s ,

y

Proveer oxígeno

r e q u e r i d o para o x i d a c i ó n

solu—

química.

E c k e n f e i d e r y Ford (4), p r o p o n e n el siguiente m o d e l o p a r a la d e t e r m i n a c i ó n

de los p a r á m e t r o s de u t i l i z a c i ó n de

( 4 )

V Rr a

( 5 )

Rr Xa

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-I L

O

APENDICE

D

Tabla: 6*1; muestra los datos requeridos para el cálculo de los coeficientes a 1 y b 1 , necesarios para determinar las necesidades totales de oxígeno.

Tabla: 6.2, 6.3; desarrollan el cálculo para determinar los coefi cientes cinéticos (K, Ks,

, Kd), tomando la DBO^ y la DQO del filtra

do como substrato respectivamente.

Tabla: 6.3 A; Indica el desarrollo para determinar la relación entre la DBO^ y los SST biológicos, en el sobrenadante.

Tabla: 6.4; es el desarrollo para calcular el tiempo último (Tu),para una determinada concentración última (Cu) en el fondo del Tanque Sedimentador. Se realizó para cuatro diferentes Cu : 10000, 12000, — 14000 y 16000 mg . SST/ lt.; y para cinco concentraciones iniciales(Co), variando en cada reactor entre 1800 y 4400 mg . SST/ lt.

TABLA

6,1

REACTOR

lîATCS PARA EL CALCULÓ DE LOS COEFICIENTES a' y V,NECESARIOS PARA DETERMINAR LOS RE QTJERItflENTOS TOTALES DE OXIGENO,

S.o me/It.

3 me/1t.

705

30

R-15

705

35

R-XO

705

40

R-6

705

R-3

©h d. 20

Xr mg/it,

Sn-5 Oh.X r

280

nig.Op mg.SSV-d. 0,168

350

O* 128

0.188

10

380

Q.175

0.346

55

6

350

Ô,31

^-370

705

75

3

320

R-2Q

714

32

20

270

Q.126

0.168

R-15

714

28

15

370

Ú.124

0.188

R-10

714

45

10

400 -

0.167

0.346

R-6

714

64

-g

0*328

0.370

R-3

714

63

3

330

0.637

0.630

R—20

705.

PS

eo

280

0.121

0.168

R-15

705

'33"

15

370

0.121

0.188

R-10

?05

32

10

410

O.I64

O.346

R-g

705

45

6

345

0.319

0.370

R-3

705-

m

3

320

0.667

0.630

" 330

0,630

TABLA 6.2

REACTOH

DATOS PARA LA DETERMINACION DE COEFICIENTES CINETICOS, TOMANDO LA DBO5 DEL FILTRADO CO_ %0 SUBSTRATO.

S MG/L-FE.

R—20

3® mg/IT.

días

X (SSV) mg/LT.

460

20

280

R-15

13

460

15

350

R-10

12

460

10

380

R-6

18

460

6

350

¡Éé

(«•a

«i

**

<

R—20

10

466

20

270

R-15

11

466

15

3 70 .

R-10

H

466

10

400

R-6

16

466.

M

330 ««



'

Tu, se ©"btien© de. las gráficas de sedimentabilidad eorrq sp endientes.

9.45 3.20

"

TABLA 6,4

CALCULO DEL T u PARA UNA DETERMINADA Gg, en e\ PONDO DEL TANQUE SEDIMENTADOR. Hu. -

©h, días

15

Offr mg/lt".

1800

VSZ,cro/min.

12.50

'15

15

15

15

2425

3050

3675

4300

10.00

9.78

8.55

9.77

, 15.48

C u , =• 10000 mg.S5T/lt Hu» cms .

6.48

8.73

10.92

13.23

TU:, inin.

5.00

2.40

1.40

0.60

1.6

« 12000 mg.SST/lt

Hu ¿ cms.

5.40

7.28

9.15

11,03

12.90

T u , jnin.

6.80

4.70

4.40

3.80

5.00

C u » 14000 mgSST/lt.

11.06 «

Hu»\ cms»

4.63 I

6.24 í

7.84 i

9.45 s

11.06 *

T u , min*

8.20 -

6.4 0 *

6.40

6.10

7.40

Cu sa 16000 mg.SST/lt. H ^ cms»

4.05

5.46 "

6.86

8.27

9.68

T u , min #

9.30

7.80

8.00

7-80

S.30

T u , se "obtiene de la grafios de sedimentabilidad C-orresp endienta»

TABLA 6.4

CALCULO DEL T U Ï>ARA UNA DETERMINADA CY BN EL FONDO DEL TANQUE SEDIMENTADOR, \

« C#/CU,H.-S

Oh, flías

10

C0,mg/lt.

2100

H0

10

lo

lo

2675

3250

3825

4400

10.0

8.33

8.33

^ 10

"VSZ, cm/min. 12.50

36 cms#

1

6.41

C u - 10000 mg.SST/lt » Hu, cms«

7.56

9.63

11.70

13.77

15.87

T U I rain.

1.40

-0.6

-3.00

-1.30

-2.1

Cyx ^ 12000 mg.^ST/lt. Hy^ cms.

6.30

S.03

5.75

11.48

T u , rain.

3.50

2.10

Î.00

2.50

Ou

13.20 2.30

14000 mg.SST/lt^

Hu,^cms.

5.40

6.88

8.36

9.84

T u , rain.

5.00

4.20

S.90

5.10

11.31 5.50

Cu * 16O0O mg.SST/lt,t H U f cm s »

4.73

6.02

7.31

8.61

9.90

T u , min.

6.10

5.80

6.00

7.40

7.90

"Nota * Tu» se «btLene de 13 gráfica de sediwentabili correspondiente.

TABLA 6.4

CALCULO DEL T U PARA UNA D STERIN ADA C^ BN EL FONDO DEL T « U E SSDIFENTADOR, H^ « ü 0 /C u .Hp

O, días

6

6 2780

£250 VS 2,cm/min

14.5

Ho - 36 cms. 6

6

6

3325

38 60

4400

11.00

10.0

8.33

Cu * 10000 mg.SST/lt, Hy^t cms*.

8.10

10.01

11.97

13.90

15.84

ï u , min»

-1.6

-5.2

-5.0

^4.0

-3.6

Ca * 12000 mg.33T/lt. Hu* cingi

6.75

8.34

9.98

11.58

13*20

T u , ©in.

1.00

1.20

-1.20

0.0

0.60

Cu„ =* 14000 mg. SST/lt. H^, cms.

5.79

7.15

8.55

9.93

11.31

T U f min...

3.0

3.0

1.50

2.80

3.60

C u as 1600Q Hu» cms.

5-06

6,26

7.48

8.691

g.90

TUs>. min.

4.60

4»-300

3.40

5.00

5.80

NOTAî El vtfloTy T u OD-çien© ¡da, la gráfica a© .sedimenta tailidad c orre snonôi inte *

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