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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
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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
a
'
(So
f/) LLI Q> & ~o < a T¡
or =) X O o Q
SUJ3 fesP4jô;u! ep pepipun±ojd
o •«fr
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i I i i t i1 in
-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 *