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TEMA 5 : TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS1.- Introducción.2.- Biorremediación.3.- Microorganismos implicados.4.- Cinética de la degradación biológica.5.- Tipos de tratamientos.6.- Sistemas de biorreactores. Conceptos previos. Tipos.7.- Configuración de biorreactores.8.- Parámetros de diseño de los sistemas
de tratamiento biológico.
TEMA 6 : TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS (II)9.- Sistema de lodos activos.10.- Diseño de reactores anaerobios.11.- Lechos bacterianos, filtros percoladores, biodiscos y biotorres12. Aireación
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1. IntroducciónBiotratamiento / biorrecuperación
BiotratamientoResiduos
Biorrecuper.Aguas, suelos
Detoxificación
Microorg(degrad de MO)
ResiduosS / L / G
FuentesInds/ agríc.
Los objetivos de los tratamientos biológicos son:• Separación de los sólidos
coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica.
• Separación de la materia orgánica presente.
• Eliminación de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo.
•Reducción de compuestos orgánicos e inorgánicos (aguas industriales). Se requiere de pretratamiento.
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Aplicaciones de tratamientos biológicos de residuos orgánicos:
• Optimiza un proceso natural.• Utiliza microorganismos ambientales (bacterias, hongos).• Requiere control de temperatura, pH y balance de materiales.• Pueden ser aerobios o anaerobios.• Aplicaciones para residuos peligrosos:
• Utilizable sólo para bajos niveles de contaminantes
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2.- Biorremediación
Objetivo:
Reducción de la materia orgánica (DBO) mediante la actuación de microorganismios con el fin de reducir la toxicidad de los residuos
Se puede utilizar para gran núm de compuestosLos prod finales no deterioran el MASe transf poca contaminación al medioTecnología poco intrusiva con el medioComparativamente económicaAceptada socialmente
Ventajas
Si degrad incompletaprod muy contaminantesEl seguimiento y controles más difícil que en F-QLa energia requerida esdifícil de predecirExisten compuestos queinhiben la degradación
Inconvenientes
TratamientoBiológico
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Aeróbico Anaeróbico
In situ/Ex situSep previa o no
Microorg libres / inmoviliz
Degradabilidado
Toxicidad
Optim deparámetros
Co-sustratos Asociacionesde poblaciones
Modif genéticamicrobiana
Más pelig. Menos pelig.
Productosintermedios
Bioestimulación(modif de ladegradac)
Rendimiento(Tiempo, degrad)
Tratbiológico
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Activa org acetogénicosinhiben a los metanogénicos
Orgánica
Vel flujo muy altaExpulsa pobl microbiana
Hidraúlica
Existe inhibic generalde los microorg
Tóxica
BiorreactoresSobrecargas
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+ UtilizadosSalida + homog
Continuos
+ Adecuados parabajos vol de residuos o
t resid muy largos
Discontinuos
Concentrac. iniciales bajasMenores costes .
Tipo mezcla completa
+Eficaces para líquidosAceptan concen. altas
Tipo flujo pistón
Tipos
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3.- Microorganismos implicadosCLASIFICACION DE LOS MICROORGANISMOS SEGÚN SUS FUENTES DE ENERGIA Y CARBONO
CLASIFICACION FUENTE DE ENERGIA FUENTE DE CARBONO
AUTOTROFOS
Fotoautotrofos Luz Anhídrido Carbónico
Quimioautotrofos Reacción de oxidación - reducción inorgánica Anhídrido Carbónico
HETEROTROFOS
Quimioheterotrófos Reacción de oxidación - reducción orgánica Carbono Orgánico
Fotoheterotrófos Luz Carbono Orgánico
Los microorganismos importantes en el tratamiento biológico son:-Procariotas: bacterias-Eucariotas: hongos, protozoos, rotíferos y algas.
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4.- Cinética de la degradación biológica
La velocidad de acumulación de biomasa es dX
dt= µ X
X [biomasa]µ velocidad específica de crecimiento (generaciones t-1)
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Ecuación de Monod (1942)
µ = velocidad específica de crecimiento (generaciones t-1)µmax = velocidad máxima de crecimiento (generaciones t-1)S = concentración de sustratoKs = constante de velocidad media
(velocidad esp. de crecimiento) Constante de Monod
Posee limitaciones1) A muy bajas concentr de sustratos no va bien(conc mín. de sust que no contempla)
2) A muy altas conc de sustratos Ks real es cte
µ µ= S
Ks + Smax
dX
dt= µ X
dX
dt=
S X
Ks + Smaxµ
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Y= coeficiente de rendimiento
Y = aumento biomasa
descenso de conc de sustrato= =dXdt
dSdt
dX
dS
dS
dtK=
=
Y
S X
Ks + S
S X
Ks + Smaxµ
dX
dt=
S X
Ks + Smaxµ
dX
dtYK bX= = −
S X
Ks + S
b=cte de declive endógeno (t-1)
Realmente la ecuación es:
dX
dtYK bX= = −
S X
Ks + S
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Cinética de crecimientomicrobiano
Crecimiento exponencial simpleX
dt
dXµ=
X : Concentración de microorg.µ : tasa efectiva de crecimento SK
S
sm +
µ=µ
S : Concentración de substrato, mg/Lµm : tasa máxima de crecimientoKs : valor de S cuando µ= µm/2
XKXdt
dXd−µ=
kd o b : constante de decaimiento endógeno
XKXSK
S
dt
dXd
S
m −
+
µ=
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Cinética de crecimientomicrobiano (Monod)
• En la región inicial, primer orden, S << KS, se aproximaa µ = µ maxS/Ks
• Región central Monod cinética de “orden intermedio”
• Región de ordencero, S >> KS, se aproxima µ = µ max
S, mg/L
µ, 1/hr
µ max
S << KS Orden intermedio S >> KS
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Utilización de substratoSi todo el substraso se convierteen bimasa: dt
dX
dt
dS=−
En realidad:
dt
dX
Y
1
dt
dS=−
Y : Coeficiente de rendimiento,<1, normalmente entre 0.4- 0.8
+
µ=−
SK
SX
Y
1
dt
dS
S
m
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Relación Substrato(Food): Microorganismos (M)� (F/M)
Relacion de equilibrio
F/M = [ DBO inicial x Flujo de Influente] /[ Sólidos en reactor x Volumen del Reactor]
X
S
XV
QSM/F
0
00
φ=
= S0 : DBO inicialQ0 : Caudal de influenteX : Concentrac. Microorg.V : Volumen reactorφ : Tiempo de retención
hidráulica
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5.- Tipos de tratamientos
Biodegradación aeróbicaFuente de C + F. de Energ + acep de e- + nutr. +agua + MO => MO’ + CO2 + H2O
(MO) (N,P) (*) (*) Como aceptor de e- en aeróbicos ===> O2
Parámetros• Cantidad de O2 (> 2 mg/l)• Humedad (40-60%)• T (20 -45ºC)• Tipos de microorg implicados
Psicrófilos (0 - 30ºC) T optima (12-18ºC)Mesófilos (20-45ºC) T optima (25 -40ºC)Termófilos (45-75ºC) T optima (50 -60ºC)
• MO tipo• DQO • DBO• Comp. Inhibidores • Cantidad de nutrientes (Macro y micro)• Relación de nutrientes • CE (<20 dS/m)• pH (5 < pH < 9)
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Biodegradación anaeróbicaFuente de C + F. de Energ + acep de e- + nutr. +auga + MO => MO’ + CH4 + NH3
(MO) (N,P) (*)
Desnitrificación:F. de C + F. de E. + NO3 + nutrientes.+ agua + MO � MO’ + NH4 + N2
(MO) (N ,P) Reducción de sulfato:F. de C + F. de E. + SO4 + nutrientes.+ agua + MO � MO’ + NH4 + H2S
(MO) (N ,P) Metanogénesis:F. de C + F. de E. + CO2 + nutrientes.+ agua + MO � MO’ + CH4 + Ác. Org.
(MO) (N ,P)
(*) Como aceptor de e- en anaerób ===> Desnitrif (NO3 --> NH4)===> Metanogénesis (CH4)
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Bacteriashidrolí ticas
Proteinas Hidratos de C
Bacteriasmetanogé nicas
Acetatos
Aminoá cidosAzú cares
Bacteriasacidogé nicas
Prod intermedios
CH4CO2
H2, CO2
Ác grasosAlcoholes
Lí pidos
Degrad anaeró bica
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Reacciones del C
2 2 2aerobic
microorganismsOrganic Carbon + O Energy + CO + H O + Residue→
2 2 2new aerobic
microorganisms+ O Energy + CO + H O + Residue→
2 2 2new aerobic
microorganisms+ O Energy + CO + H O + Residue→
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Reacciones del N
• Se produce una reducción de loscompuestos nitrogenados cuando se oxidan los compuestos de carbono. Se desprende como (NH4
+)
• El posterior proceso oxidativo (Nitrificaciónpaso de amonio a nitrato) es autotrófico.
NitrosomonasNitrosomonas
Step 1:Step 1:NHNH44++ + 3/2O+ 3/2O22 →→→→→→→→ NONO22
22-- + 2H+ 2H++ + H+ H22OO
NitrobacterNitrobacter
Step 2:Step 2:NONO22-- + 1/2O+ 1/2O22 →→→→→→→→ NONO33--
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Nitrificación Biológica
• Parte del amonio es asimilado en la célula
– Las bacterias nitrificadoras usan el CO2 en vez del carbono orgánico como fuente de carbono para la síntesis celular y para la conversión de NH4
+ en NO3--N.
AutotrophicAutotrophic
1.00NH1.00NH++ + 1.89O+ 1.89O22 + 0.08CO+ 0.08CO
22 →→→→→→→→ 0.98NO0.98NO33-- + 0.016C+ 0.016C
55HH77OO22N + 0.95HN + 0.95H22O + 1.98HO + 1.98H++
BacteriaBacteria new bacterial cellsnew bacterial cells
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6.- Sistemas de biorreactores
Mat flotante inmiscibleSól. suspensiónMO solubleMI insolubleCOV
Eliminación
Conc ópt de microorgtiempo opt residenciavel de crecimiento orgvel degrad contambiomasa producidasustrato consumidovel transf de nutrientes
Parám
Activa org acetogénicosinhiben a los metanogénicos
Orgánica
Vel flujo muy altaExpulsa pobl microbiana
Hidraúlica
Existe inhibic generalde los microorg
Tóxica
Sobrecargas
Biorreactores
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Continuos Discontinuos
+ UtilizadosSalida + homog
+ Adecuados parabajos vol de residuos o
t resid muy largos
Tipo mezcla completaEs necesario [] inic baja
Menores costes
Tipo flujo pistón+Eficaces para líquidos
Aceptan [] altas
Es frecuentela combinación
Tipos
+ número de plantas(+ conocido)+Facilidad de control+ Estabilidad del proceso(- fallos)+ Elim DBO- Tiempo de arranqueEl ox es muy poco soluble
Aeróbicos
Facultativos(aerobio + anaerob)(estratificación)
Reducc de contaminanteElim patógenosValor fertilizante
Elim semillas y otros org
+ Tiempo residencia- Gasto energét+ velocidad de carga- Cantidad de residuos+ Adec. para comp volátpeligrososNo oloresProd biogas
Anaeróbicos
Biorreactores(sistemas)
Todos los microorgtienen la posibilidadde alimentarseNecesidad derecirculación
Suspensión
Evita la salidade mucha biomasaPosib. de desprendmasivoAl espesarse la biomasael acceso a microorg interioreses difícilPosibilidad de fijarsea película (fija), a pequeñaspartículas (fluidización), oa soporte y fluye el efluente
Inmovilizada
Biomasa
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+ UtilizadosSalida + homog
Continuos
+ Adecuados parabajos vol de residuos o
t resid muy largos
Discontinuos
Concentrac. iniciales bajasMenores costes .
Tipo mezcla completa
+Eficaces para líquidosAceptan concen. altas
Tipo flujo pistón
Tipos
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+ número de plantas(+ conocido)+Facilidad de control+ Estabilidad del proceso(- fallos)+ Elim DBO- Tiempo de arranqueEl ox es muy poco soluble
Aeróbicos
Facultativos(aerobio + anaerob)(estratificación)
Reducc de contaminanteElim patógenosValor fertilizante
Elim semillas y otros org
+ Tiempo residencia- Gasto energét+ velocidad de carga- Cantidad de residuos+ Adec. para comp volátpeligrososNo oloresProd biogas
Anaeróbicos
Biorreactores(sistemas)
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Todos los microorgtienen la posibilidadde alimentarseNecesidad derecirculación
Suspensión
Evita la salidade mucha biomasaPosib. de desprendmasivoAl espesarse la biomasael acceso a microorg interioreses difícilPosibilidad de fijarsea película (fija), a pequeñaspartículas (fluidización), oa soporte y fluye el efluente
Inmovilizada
Biomasa
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Aplicaciones
Tratamiento biológico de residuos orgánicos:• Optimiza un proceso natural• Utiliza microorganismos ambientales (ej.
bacterias, hongos)• Requiere control de temperatura, balance de
materiales• Puede ser aeróbico o anaeróbico
•Biomasa fija o suspendida
Para residuos peligrosos:• Utilizable sólo para bajos niveles de
concentración de contaminantes.
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Usos principales
• Las aguas residuales son las mayormenteutilizadas fundamentalmene. Entre ellas se pueden destacar:
• Industria papelera• Industria alimentaria• Industria peletera• Industria farmaceútica• Lixiviados de otros tratamientos
• También:• Biorremediación in-situ bio-remediation de suelos contaminados.• Tratamientos en fase de lechada• Tratamientos de tierras• Co-compostaje
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7.- Configuración de biorreactores
Proceso típico de tratamiento
Pre-tratamiento
Tratamiento físico-químico y separación
de sólidos
Tratamiento
Tratamiento biológico
Aeróbico/anaeróbico
Biomasa suspendida o fija
Proceso en lotes o continuo
Post-tratamiento
Tratamientosfísico
(filtración, adsorción, separación)
Descarga
BIORREACTOR
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• Biomasa Suspensión– Mezcla Completa– Flujo Pistón
• Biomasa Inmovilizada– Rejilla– Placa– Filtro percolador– Lecho Bacteriano– Biodiscos– Contactor Biológico
Rotativo– Lecho fluidizado– etc,.
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Biomasa Inmovilizada• Rejilla• Placa• Lecho Bacteriano• Filtro percolador
![Page 34: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/34.jpg)
Biomasa Inmovilizada• Lecho fluidizado• Biodiscos• Contactor Biológico Rotativo
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8.- Parámetros de diseño de los sistemasde tratamiento biológico
TRHvol del tanque (L)
Tasa elim de fangos (L / dia)= TRS
masa de solidos en tanque (kg)
Tasa elim de solidos (kg / dia)=
- Carga de sólidos volátiles (kgSV /(m3 día) =SV añ adidos al dia por kg SV / dia
V de trabajo del digestor m3
- Tasa de producción de sólidos (kgSS /(m3 día)- Tasa de producción de gas (m3 CH4 /(m3 día)-Configuración del tanque- Sistema de agitación
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Factores que influyen en el tratamiento biológico
Degradabilidad de la materia orgánica:• Composición• Forma física• pH
El tratamiento biológico sólo es convenientepara las residuos orgánicas con toxicidadrelativamente baja
•No es 100% eficiente en destruir el material orgánico.
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Condiciones del proceso
El proceso de tratamiento biológico requiere
control de:• temperatura• Humedad• pH• Nivel de aireación• No presencia de alta concentración de inhibidores (ej. Metales).
• Mínima y adecuada concentración de nutrientes
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Como valores indicativos
0.5-1.5(m3 CH4 /(m3 día)Tasa de producción de gas
15-30 (≈20)
díasTRS
38ºCTemperatura operación
1m3 /kg SV reducido
Producción gas
2-5.5kg SV/m3dCarga SV
5 - 25(m)Altura tanque
5-50(m) (cilíndrico)Diámetro tanque
RespuestaVariable
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9.- Sistema de lodos activos
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Lodos activos
• Microorganismos agregados en flóculos en suspensión• Recirculación necesaria para mantener la cargabacteriana constante
• Proceso más sensible que lechos bacterianos perotambién más flexible
• El biorreactor necesita un mezlcado eficiente y un alto nivle de oxígeno disuelto
• Ofrece efluentes más límpios que otros procesosbiológicos
• Se necesita mucha energía• Aplicaciones: refineriea, inds. Farmaceutica, en general aguas con < 1% sólidos en suspensión
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∞
RAS
Reactor Clarificador
Influente
Q0, So, Xo
Efluente
Q0-Qw, Se, XeQ0+QrX,S
V,X,S
Qr, XwLODO
Qw, Xw, SwQu,Xw
Q = CaudalX = Concentración de microorganismosS = concentración de sustrato
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Características de los lodos activos:• Los microorganismos están agregados en flóculos en suspensión.• La recirculación es necesaria para mantener la carga bacteriana
constante.• El biorreactor necesita un mezclado eficiente y un alto contenido de
oxígeno disuelto.• Ofrece efluentes mas limpios que otros procesos biológicos.• Necesitan mucha energía
Aplicaciones: refinería, industrias farmacéuticas, en general aguas con concentraciones menores del 1 % de sólidos en suspensión.
Tipos:• mezcla completa • flujo pistón :
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Balance de masas de microorg.Influent biomass + biomass production =
effluent biomass + sludge wasted biomass
( ) wwew000 XQXQQdt
dXVXQ +−=+
Se asume X0 = Xe = 0
dww
s
m kVX
XQ
SK
S+=
+µ
wwd
s
m XQXkSK
SXV =
−
+µ
![Page 45: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/45.jpg)
Balance de masas para substrato
Influent substrate + substrate production = effluent substrate + sludge wasted substrate
( ) wwew000 SQSQQdt
dSVSQ +−=+
( ) wwew0
s
m00 SQSQQ
SK
XS
Y
1VSQ +−=
+
µ−
Assume Se = Sw = S
( )SSVX
YQ
SK
S0
0
s
m −=+
µSQ
SK
XS
Y
1VSQ o
s
m00 =
+µ
−
![Page 46: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/46.jpg)
Biomass balanced
ww
s
m kVX
XQ
SK
S+=
+µ
Substrate balance ( )SSVX
YQ
SK
S0
0
s
m −=+
µ
( )SSVX
YQk
VX
XQ0
0d
ww −=+
![Page 47: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/47.jpg)
Tiempo de residencia hidráulico (HRT)0Q
V=φ
Tiempo medio de residencia de microorg.Mean cell residence time (MCRT)
= [ total biomass in basin ] / [biomass waste rate]
ww
cXQ
VX=φ
So ( )SSX
Y1k
10d
c
−φ
=+φ
Therefore
φ+
−
φ
φ=
cd
0c
k1
SSYX
![Page 48: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/48.jpg)
F/M
( ) VX
SQ
XQV
S
X
SMF 00
0
00
// =⇒=
φ
n Bajo F/M– Degradación más completa– Tanques de aireación más grandes y costosos– Mayores necesidades de O2
– Mayores necesidades energéticas– Menor producción de lodos
n Alto F/M– microorg. saturados– tratamiento de baja eficiencia
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Ejemplo de diseño
Caudal : 14 000 m3/diDBO inicial (S0) : 225 mg/LDBO5 final : < 15 mg/LRendicmiento Y : 0.5Constante de decaimiento, kd: 0.05 /day
DerterminarVolumen VHRT φProducción de lodos Qw
Masa de lodos vertido QwXw
Razón de recirculación Qr/Q0
F/M
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Ejemplo de diseñoAssume:
MLSS in basin, X 3500 mg/L (3.5 kg/m3)MLSS in sludge, Xw 15 000 mg/L (15 kg/m3)MCRT, φc 10 days
φ+
−
φ
φ=
cd
0c
k1
SSYX
0Q
V=φ
φ+−φ
=cd
00
c
k1
SSYQ
VX
φ+−φ
=cd
00
c
k1
SSYQ
XV
3m28001005.01
015.0225.05.014000
5.3
10V =
×+
−××=
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days2.0
14000
2800
Q
V
0
=
==φ HRT = 4.8 hours
HRT
Sludge Wastage
ww
cXQ
VX=φ
day/m33.651510
5.32800
X
VXQ
3
wc
w
=××
=
φ=
Mass wasted day/kg9801533.65XQ ww =×=
Ejemplo de diseño
![Page 52: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/52.jpg)
Biomass balance around the clarifier
( ) ( )( ) ( ) wwrew0
wuew0r0
XQQXQQ
XQXQQXQQ
++−=
+−=+
Assume Xe=0
day/m7.41755.315
9805.314000
XX
XQXQQ
3
w
ww0r
=−
−×=
−−
=
%8.2914000
7.4175
Q
Q
0
r ==
Ejemplo de diseño
![Page 53: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/53.jpg)
32.0
5.32800
225.014000
VX
SQM/F 00
=×
×=
=
Ejemplo de diseño
![Page 54: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/54.jpg)
![Page 55: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/55.jpg)
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FLUJO PISTON[X] concentración MO (X)
Ambas son variables en el reactor
[S] concentración sustratos (S)
• Balance de masas para la producción microbiana.• X adopta todos los valores a lo largo del reactor por lo que tomamos un valor medio (Xm) entre Xa y X.• S adopta todos los valores a lo largo del reactor por lo que tomamos un valor medio (Sm) entre Sa y S
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Design parameters for activated sludge processesProcess θ θ θ θ χχχχ ((((d) θ θ θ θ (d) F/M Qr/Q X (mg/L)
Conventional 5-15 4-8 0.2-0.4 0.25-5 1,500-3,000
Complete-mix 5-15 3-5 0.2-0.6 0.25-1 3,000-6,000
Step-aeration 5-15 3-5 0.2-0.4 0.25-0.75 2,000-3,500
Modified-aeration 0.2-0.5 1.5-3 1.5-5.0 0.05-0.15 200 – 500
Contact-stabilization 5-15 0.5-1 0.2-0.6 0.25-1 1,000-3,000
3-6 4,000-10,000
Extended-aeration 20-30 18-36 0.05-0.15 0.75-1.5 3,000-6,000
Kraus process 5-15 4-8 0.3-0.8 0.5-1 2,000-3,000
High-rate aeration 5-10 0.5-2 0.4-1.5 1-5 4,000-10,000
Pure-oxygen 8-20 1-3 0.25-1.0 0.25-0.5 6,000-8,000
![Page 58: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/58.jpg)
Operational characteristics of activated sludge processesProcess Flow model Aeration system BOD5 removal efficiency (%)
Conventional Plug-flow Diffused air, mechanical aerators 85-95
Complete-mix Complete-mix Diffused air, mechanical aerators 85-95
Step-aeration Plug-flow Diffused air 85-95
Modified-aeration Plug-flow Diffused air 60-75
Contact-stabilization Plug-flow Diffused air, mechanical aerators 80-90
Extended-aeration Complete-mix Diffused air, mechanical aerators 75-95
Kraus process Plug-flow Diffused air, mechanical aerators 85-95
High-rate aeration Complete-mix Diffused air, mechanical aerators 75-90
Pure-oxygen Complete-mix Mechanical aerators 85-95
![Page 59: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/59.jpg)
10.- Diseño de reactores anaerobios
- Volumen del digestor
( )Vs t= − −
V
2
3V Vi i f
Vs= Volumen del digestorVi = Volumen inicial de afluenteVf= volumen final de efluentet = TRH
- Tasa de producción de metanoCnHaOb + (n - a/4 - b/2) H2O ==> (n/2 - a/8 + b/6) CO2 + (n/2 + a/8 - b/4) CH4También existen expresiones aproximadas
MCH4 = 0.35 (n Q Ci - 1.42 rg V) tb MCH4 = 0.3 (Q Ci)MCH4 = Caudal producción de metano (m
3/s)n = fracción de DQO biodegradable convertida (0,85)Q = caudal afluente (m3/s)Ci = carga de DQO (kg/L)rg = tasa de crecimiento (g/m
3 s)V = volumen (m3)
![Page 60: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/60.jpg)
11.- Lechos bacterianos, filtros percoladores, biodiscos y biotorres
![Page 61: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/61.jpg)
Lechos bacterianos
• Biomasa fija
• Aconsejable para efluentes con alta cargaorgánica
• Aplic: Ingustria agroalimentaria
![Page 62: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/62.jpg)
X
Y
BiofilmLiquid
Film
Bulk
Liquid
Support Material
(a) Physical concept
Fully Penetrated
Partially Penetrated
SS
Sb
Substrate Concentration
X
Y
(b) Substrate concentration profile
• Biomasa fija- Resistencia a la difusión- Velocidad inadecuada de aporte de nutrientes- Limitaciones de difusión de productos
![Page 63: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/63.jpg)
w = anchura de película de mo y liquidoh = altura de la columna de líquidodZ = longitud diferencia de la película en la direcc del flujoh w dZ = volumen del elemento de masa
![Page 64: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/64.jpg)
El objetivo es que disminuya la concentración de substrato en el medio (dS/dt max)
La velocidad puede cambiar por:• Difusión de los nutrientes a la zona de no microorganismos (dMs/dt)Proporcional a la actividad microbiana (Xf) y a la concentración de sustrato (S).• Desaparición de sustratos en la película líquida (si flujo continuo este valor es 0).
S X dZ K w f=−dt
dMs
• Ms= masa de sustrato que se difunde (que se degrada)• w dZ = área de difusión • K =constante de proporcionalidad• Xf se supone constante en régimen estacionario
S dZ wK' =−dt
dMs
![Page 65: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/65.jpg)
La desaparición de sustrato en la película de MO tiene que ser igual a la desaparición de sustrato en el volumen del líquido.
S dZ wK' dt
dS dZh =−=
−dt
dMsw
S dZ wK' dZ
dS dZ a =
−Q dZ
wK'
S
dS
aQ=
s
aa
s
aaA
K'
A K' Z
wK'
S
SLn -
QQQ===
![Page 66: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/66.jpg)
s
aa
s
aaA
K'
A K' Z
wK'
S
SLn -
QQQ===
s
a
AQ
= Velocidad específica de carga hidráulica actual (ASHLR)
Sa = Concentración de sustrato a la entrada del reactordespués del recirculado
( )( )R
RSSa
+
+=
1
S 0As = Superficie de la película microbiana
ltransversa
0
AQ
= Velocidad específica de carga hidráulica nominal (NSHLR)
K'= velocidad de difusión en la película microbiana
20-t
20 1,035 '' KK t =
![Page 67: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/67.jpg)
Filtros percoladores
• Rotating distribution arm sprays primary effluent over circular bed of rock or other coarse media
• Air circulates in pores between rocks
• “Biofilm” develops on rocks and micro-
organisms degrade wastes as they flow past
![Page 68: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/68.jpg)
Design Parameters Low or Intermediate High rate Super rate Roughing
Standard rate (stone) (plastic)
Hydraulic loading (m/d) 1 – 4 4 – 10 10 – 40 15 – 90 60 – 180
Organic loading
(kgBOD5/d-m) 0.08 – 0.32 0.24 - 0.48 0.32 – 1.0 0.32 – 1.0 > 1.0
Recirculation 0 0 – 1 1 – 3 0 – 1 1 – 4
Filter flies many varies few few few
Sloughing Intermittent Varies Continuous Continuous Continuous
Depth (m) 1.5 – 3 1.5 – 2..5 1 – 2 12 1 – 6
BOD5 removal
(%) 80 – 85 50 – 70 65 – 80 65 – 85 40 – 65
Effluent Quality Well nitrified Some Nitrates Limited No
Nitrification nitrification nitrification
![Page 69: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/69.jpg)
FitrosPercoladores
![Page 70: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/70.jpg)
Contactores biológicosrotativos
Rotating Biological Contactors (RBCs)
![Page 71: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/71.jpg)
PrimarySettling
SludgeTreatment
SecondarySettling
Sludge Treatment
Contactores biológicosrotativos
Rotating Biological Contactors (RBCs)
![Page 72: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/72.jpg)
Biodiscos
Aeration
Shearing of excessmicroorganisms
Attached microorganismspick up organic compounds
Filmmixes withwastewater
![Page 73: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/73.jpg)
Utilizado para residuos sólidos, lodos o sueloscontaminadosNecesita mezclado para:
•homogeneizar la mezcla• Romper las partículas sólidas•Aumentar el nivel de oxígeno•Aumento de la degradación de losmicroorganismos
Degradación rápida para:• Menor necesidad de tierra que en fasesólida
Uso potencia con otros residuos como los de conserveras, refinerías etc.
Tratamientos en fase de lechada
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12. Aireación
)()(*
liligg CCKPPKAdt
dWF −⋅=−⋅==
F = FlujoW = masa transferidaA = área de gas – liquido transferidot = tiempoKg = coeficiente individual del gas.Pg = concentración de gas en la fase aire.Pi =concentración de gas en la interfase.Kl = coeficiente interfase para líquido.Ci = concentración de equilibrio en la interfase.Cl = concentración del liquido en la masa de liquido
�Pi y Ci son difícilmente calculables. USE utilizan los coeficientes globales de volumen y masa y ley de
Henry � P* y C* que corresponden a la concentración en el equilibrio
![Page 75: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/75.jpg)
)()( **
lLgG CCKPPKF −⋅=−⋅=
lg
liigiiggk
FS
k
FCCSPPPPPPPP ⋅+=−⋅+−=−+−=− 11
** )()()(
)( *PPK
Fg
G
−=
lgG k
FS
k
F
K
F ⋅+= 1
lgG k
S
kK
111+=
lgL kkSK
111
2
+⋅
=
SI MÁXIMA DILUCIÓNS1 =S2 = H = constate de Henry
lgG k
H
kK+=
11
glL kHkK ⋅+=
111
![Page 76: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/76.jpg)
La ecuación de flujo para la fase líquida usando la concentración en mg /l es:
)( tSL CCKA
V
dt
dCF −⋅=⋅=
La velocidad de masa transferida (AOR) es:
)( tSL CCV
AK
dt
dC−⋅⋅= ó )( *
tL CCaKdt
dC−⋅⋅=
donde:KL = coeficiente global de transferencia de masa (cm /h).A = área interfacial (cm2). V = volumen que contiene el área interfacial (cm3).Ct = concentración de masa líquida en un tiempo t (mg /l).C* = concentración en el equilibrio con el gas en un tiempo t y Pt= H*Cs (mg/l)a = área específica interfacial por unidad de volumen (cm-1).KL*a = coeficiente global de masa volumétrica en líquido (gmol /h cm
3 atm) N = velocidad a la cual el gas es transferido a la otra fase, (gmol / h cm).
La velocidad volumétrica de transferencia de masa M (g mol / h cm2) es:
)()( ** PPaKCCaKNV
AM GL −⋅⋅=−⋅⋅=⋅=
![Page 77: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/77.jpg)
⇒Tamaño del equipo
AOR = SOR (αααα) (ββββ) (θθθθT-20) 20S
WS
C
CC −
AOR = velocidad de oxigenación (kg oxigeno/ Kw h).SOR = velocidad del incremento estándar de oxígeno (kg oxigeno/ Kw h).θ = factor de corrección (1.015 a 1.040) comúnmente 1.024.α = velocidad respecto al aguaβ = concentración respecto al agua que se alcanza.Cs = Concentración de oxígeno saturado para el agua de entrada (g/m
3).CS,20 = Concentración de oxigeno saturado para el agua de entrada a 20°C, g/ m
3
Cw = Concentración de oxigeno en el agua residual g / m3
)(
)(
aguafrescaaK
alaguaresiduaK
L
L
⋅
⋅=α
)(
)(*
*
aguafrescaC
alaguaresiduC=β
![Page 78: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/78.jpg)
-Determinación de AOR.
AOR = (KLa)W (CS –C)
• Si tenemos en cuenta la velocidad de consumo de oxigeno por parte de la materia orgánica.
AOR = (KLa)W (CS –C) - rmediaSi suponemos estado estacionario: AOR= r
r vendrá dado por el consumo de DBO - DBO debido al Carbono (CDBO) rs- DBO debido al nitrógeno (NDBO)
r= rs + rN
![Page 79: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/79.jpg)
-CDBO
La demanda debida a la materia carbonatada corresponde al proceso:Materia orgánica + O2 + microbios � CO2+ H2O + sólidos microbiológicos.
Los cambios de CDBO son debidos a:
-Consumo por respiración rs
-Consumo por crecimiento y reemplazo de células rsin
Por lo que debemos de relacionar la perdida de sustrato con la respiración:
sinrrsdt
dS+=−
Para todo el volumen del reactor:
SQSQVrrsdt
dSV OOO +−=+−= sin)(QO So = CDBO entrada
QO S= CDBO salidaV*rs =Qo (So –S) –VsinVsin= fs Qw Xu = cantidad de biomasa en el lodo residualfs = factor de conversión de biomasa en oxigeno equivalente
uW
OO XQfsSSQ
rsV ⋅⋅−−
=⋅68.0
)(
![Page 80: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/80.jpg)
NDBO
La presencia de nitratos en aguas no contaminadas se debe a procesos naturales como la nitrificación, es decir, la oxidación de iones amonio a nitrato por bacterias en condiciones aeróbicas. Las bacterias Nitrosomonas oxidan el amonio a nitrito:
NH4+ + OH- + 1.5 O2 � H+ + NO2
- + 2H2OMientras que las bacterias Nitrobacter oxidan el nitrito a
nitrato:NO2
- + 0.5 O2 � NO3-
Los cambios en NDBO son debidos a:Consumo por nitrificaciónConsumo por crecimiento y reemplazo de células.
![Page 81: Tipos de Bioreactores Mapa Conceptual](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022012304/55cf994e550346d0339cb1b0/html5/thumbnails/81.jpg)
fN = factor de conversión del nitrógeno en oxigeno equivalentefn = factor de conversión del nitrógeno en oxigeno equivalente en el lodo.
EN TOTAL
uwnOoNn XQfNNQfrV ⋅⋅−−⋅⋅=⋅ )(
uwnOONuwOO XQfNNQfXQfs
SSQ
V
⋅⋅−−⋅⋅+⋅⋅−−
=
)(68.0
)(
AOR
Se parte de la composición química inicial
1.42 g de O2 /g de efluente inicial fs=1.42NH3 + 2 O2 � 4 HNO3 +H2O fN = 4.57Las bacterias contienen un 14% de N- kjeldal fn= 4.57
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Tìpos
•Difusores de aire (bubblers)
• Aireadores mecánicos
• Turbinas
• Aireadores superficiales
SISTEMAS DE AIREACIÓN
Objetivos:
• Proporcionar un contacto entre un gas y un líquido
• Agitación de la fase líquida• Producción de espuma
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Compressed air diffusers (bubblers)
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Difusores
Non buoyant design.
•Micro fine bubbles
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Dependiendo del tipo de burbuja
• Poroso• No poroso
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Difusores suspendidos tipo IIDifusores suspendidos tipo I
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Mezclador estático
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Turbina sumergida
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Turbina de baja velocidad
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Aireadores superficiales