IIINNNFFFOOORRRMMMEEE DDDEEE PPPRRRÁÁÁCCCTTTIIICCCAAASSS
Abril-Junio 2010
Kévin PASCUAL
ProfesorTutor: Dr. Francisco Javier Peñas
Cotutora: Bárbara Safont Resardi
Universidad de Navarra
Calle Irunlarrea
31009 PAMPLONA
Operación de un reactor
biológico para tratar agua
residual fenólica
2010 UNIVERSIDAD DE NAVARRA
Kévin PASCUAL | Informe de prácticas
2
AGRADECIMIENTOS
Para empezar, me gustaría dar la gracias a la Universidad de Lille1, particularmente
al IUT A de química, por haberme permitido realizar mi periodo de prácticas en la
Universidad de Navarra, a la que me gustaría también agradecer por su acogida generosa y
por toda la atención que me han dedicada lo largo de estos tres meses.
A continuación, agradezco vivamente a mi tutor, Javier Peñas, por haberme
enseñado tantas cosas sobre mi trabajo como lo referido a mi cultura personal, por su
disponibilidad, por los consejos que me dió y sobre todo por su simpatía.
Agradezco mucho a mi cotutora, Bárbara Safont, por haberme dedicado tanto
tiempo, por su paciencia y su generosidad. Pero también la agradezco por todos sus consejos
y su valiosa ayuda sobre mi trabajo, mi informe, y la vida en Pamplona.
Quiero agradecer también a Eneko, Guillermo, Rubén del laboratorio de Química -
Física por su acogida y su ayuda cuando la necesitaba pero también al personal del LICA
como José Mi, Asun, Nerea, Maite, Raúl, por lo bien que nos lo han hecho pasar este periodo
con buen humor cada día en el momento del almorzar y por los consejos sobre las ciudades
visitadas; a Blanca, Carolina, Marisa por su simpatía.
Gracias a Raquel Hernández, por su acogida al principio de las prácticas, mientras
acababa su tesis, por su tiempo y su simpatía desbordante.
Gracias a la Raquel Maetzu por sus buenas ondas también y por el ánimo que me ha
dado cuando la veía.
Gracias a mi profesor de matemáticas, Mustafa Hached por habernos visitado y a mi
profesor de inglés, Arnaud Caillier, por habernos ayudado en nuestros trámites.
Finalmente, gracias a todas estas personas que he conocido durante esta aventura. El
buen ambiente es un factor determinante para trabajar dentro buenas condiciones, y ellos me
ofrecieron estas condiciones.
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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3
INDICE
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………..5
NOMENCLATURA………......……………………………………………………………………….6
LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA………………………………………………………………...9
1. Histórico. ........................................................................................................................................ 9
2. Cifras. ............................................................................................................................................. 9
3. Estudios. ......................................................................................................................................... 9
3.1. Centros. .................................................................................................................................. 9
3.2. Titulaciones. ........................................................................................................................ 10
3.2.1. Campus de Pamplona. ............................................................................................... 10
3.2.2. Campus de San Sebastián. ......................................................................................... 10
3.2.3. Campus de Madrid y Barcelona. .............................................................................. 10
BIODEGRADACIÓN DEL FENOL EN UN REACTOR BIOLÓGICO…………………………11
1. Introducción ................................................................................................................................ 11
1.1. Un compuesto aromático: fenol ........................................................................................ 11
1.1.1. Fuentes de fenol .......................................................................................................... 11
1.1.2. Tratamiento de compuestos aromáticos .................................................................. 12
1.1.3. Biodegradación aerobia de fenol .............................................................................. 14
1.2. Material y modo de operación .......................................................................................... 14
1.2.1. Características del régimen “spouted-bed” ............................................................ 14
1.2.2. Sistema experimental ................................................................................................. 15
1.2.3. Parámetros monitorizados ........................................................................................ 18
1.3. Resultados ........................................................................................................................... 22
1.3.1. Parámetros ................................................................................................................... 22
1.3.2. Nitrato .......................................................................................................................... 28
2. Transferencia de oxígeno ........................................................................................................... 30
2.1. Materiales y métodos ......................................................................................................... 30
2.1.1. Equipamiento. ............................................................................................................. 30
2.1.2. Coeficiente de transferencia de oxígeno .................................................................. 32
2.1.3. Resultados.................................................................................................................... 37
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4
CONCLUSIÓN…………………………………………………………………………………….....39
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………....40
1. Libros ............................................................................................................................................ 40
2. Artículos ....................................................................................................................................... 40
3. Sitios de internet ......................................................................................................................... 41
ANEXOS…………………………………………….………………………………………………...42
1. Hoja de seguridad del fenol ...................................................................................................... 42
2. Polímero de -ciclodextrina (PCD) .......................................................................................... 44
2.1. Síntesis .................................................................................................................................. 44
2.2. Características y fórmula ................................................................................................... 44
3. Biodegradación del fenol ........................................................................................................... 45
3.1. Mecanismo ........................................................................................................................... 45
3.2. Posible metabolitos formados ........................................................................................... 45
4. Material ........................................................................................................................................ 46
5. Datos kLa. ..................................................................................................................................... 48
5.1. Adquisición sonda. ............................................................................................................. 48
5.2. Tratamiento de datos. ........................................................................................................ 48
5.2.1. Hoja 1. ........................................................................................................................... 48
5.2.2. Hoja 2. ........................................................................................................................... 49
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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5
INTRODUCCION
Hice mi periodo de prácticas en la Universidad de Navarra en el Departamento de
Química y Edafología, en el área de Ingeniería Química.
Este informe es la transcripción no solo del trabajo hecho estos tres meses de
prácticas, sino que está un poco más desarrollado para poder entender perfectamente el
objetivo de mi trabajo.
¿Cómo se biodegrada el fenol?
¿Cuál es el principio y el funcionamiento de un reactor spouted-bed?
¿Qué parámetros son importantes en un reactor biológico? ¿Cómo se miden?
¿Qué es el coeficiente de transferencia de aire? ¿Para qué lo medimos?
En efecto, este informe puede descomponerse en dos grandes partes. La primera
parte presenta la Universidad de Navarra y su formación académica. La segunda parte, el
tema principal, tratará del reactor biológico.
Este biorreactor se utiliza para degradar agua contaminadas con fenol (compuesto
aromático) de forma biológica. Mi cotutora, Bárbara Safont, está haciendo su tesis sobre este
reactor en el Departamento de Química y Edafología, en colaboración con el de
Departamento de Microbiología. Empezaré esta parte con una introducción, describiendo
primero el fenol: qué fuentes lo producen, su nivel de peligrosidad y cómo se degrada. A
continuación se describirá el reactor utilizado así como las medidas de algunos parámetros y
los resultados obtenidos. Seguidamente se describirá la parte sobre la obtención del
coeficiente de transferencia de materia (oxígeno). Esta parte fue la más importante del
informe y mi línea principal de trabajo. Aquí desarrollaré el material y los métodos
utilizados para determinar el coeficiente de transferencia de oxígeno buscado, y después se
hablará de los resultados obtenidos.
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NOMENCLATURA
C
C* Concentración saturada de oxígeno disuelto cuando (mg/L)
C1 Concentración de oxígeno disuelto en t1 (mg/L)
C2
Concentración de oxígeno disuelto en t2 (mg/L)
CL0 Concentración de oxígeno disuelto dentro del liquido en el tiempo t = 0 (mg/L)
CL
Concentración de oxígeno disuelto dentro del liquido por un tiempo t (mg/L)
C0
Concentración inicial de fenol en el depósito (g.L-1)
C’
Concentración de fenol entrante en el reactor (g.L-1)
C’’
Concentración de fenol en el efluente del reactor (g.L-1)
Ce
Carga de fenol entrante por día en el reactor (g.L.d-1)
Cs
Carga de fenol saliente por día del reactor (g.L.d-1)
Concentración de la biomasa (mg.L-1)
E
E
Eficacia (%)
I
I Intensidad fluorescente
K
kLa Coeficiente de transferencia de masa volumétrico del oxígeno (s-1)
KSV Constante de Stern-Volmer
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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O
Concentración de oxígeno
OD Oxígeno Disuelto
Velocidad de transferencia de oxígeno del gas al liquido
Tasa de consumo de oxígeno por los microorganismos (mol O2.m-3.s-1)
Q
Tasa especifica de oxígeno consumido por los microorganismos
Qe
Caudal total de alimentación del reactor (mL.min-1)
Qf
Caudal de entrada de fenol en el reactor (mL.min-1)
Qn
Caudal de entrada de nutrientes en el reactor (mL.min-1)
Qs
Caudal de salida del reactor (mL.min-1)
T
Tiempo de decaimiento de la fluorescencia
t
Tiempo de permanencia (s)
t1 Tiempo al instante 1 (s)
t2 Tiempo al instante 2 (s)
V
V
Volumen del reactor (m3)
P
PCD Polímero de -ciclodrextrina
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R
Rpm revoluciones por minuto
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA
1. Histórico.
La Universidad de Navarra fue fundada el 17 de octubre de 1952 por Josémaría
Escrivá de Balaguer en Pamplona, como EscuelaG de Navarra de Derecho. Desde la
consolidación del estatus de la Universidad en 1960, Facultades, Escuelas, Institutos y otros
centros académicos fueron creadas hasta el momento actual.
La Universidad es privada y es una obra de apostolado corporativo del Opus Dei.
Según la prensa mundial (The Economist, The Times, El Mundo, The Wall Street Journal), la
Universidad ha alcanzado un alto prestigio en numerosas formaciones desde hace varios
años, clasificándola como una de las mejores Universidades de España.
2. Cifras.
Según los datos del año escolar 2008-2009 había, en la Universidad:
900 profesores con dedicación completa y 891 profesores asociados
1.117 personas dedicadas a tareas de administración y servicios
13.197 alumnos (8.850 en estudios de grado, 1.118 en doctorado, 1.230 en
programas máster y 1.999 en programas de especialización y otros estudios)
Y en la Clínica Universidad de Navarra:
499 médicos
768 enfermeras
1.032 otros profesionales
Se registraron 164.240 consultas; 13.733 hospitalizaciones y 11.861
intervenciones quirúrgicas.
3. Estudios.
3.1. Centros.
En la Universidad de Navarra se pueden cursar 42 titulaciones de grado y más de 300
programas de postgrado en 10 facultades, dos escuelas técnicas superiores, dos escuelas
universitarias, y otros centros e instituciones. Incluye la Clínica Universitaria de Navarra.
La universidad de Navarra se reparte en tres campus:
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10
En Pamplona se imparten las siguientes titulaciones: Derecho, Derecho
Canónico, Ciencias, Comunicación, Eclesiástica de Filosofía, Económicas y
Empresariales, Farmacia, Filosofía y Letras, Medicina, Teología, Arquitectura,
Arquitectura Técnica y Enfermería.
En el de San Sebastián se divide en el Centro Tecnológico de la Universidad
de Navarra (TECNUN) y el Instituto Superior de Secretariado y
Administración (ISSA)
En Madrid y Barcelona se acoge el Instituto de Estudios Superiores de la
Empresa (IESE)
Más recientemente, en 2004, el Centro de Investigación Médica Aplicada (CIMA) fue
inaugurado en Pamplona.
3.2. Titulaciones.
3.2.1. Campus de Pamplona.
Derecho y Derecho Canónico
Ciencias
Comunicación
Eclesiástica de Filosofía
Económicas y Empresariales
Farmacia
Filosofía y Letras
Medicina
Teología
3.2.2. Campus de San Sebastián.
Escuela Superior de Ingenieros (TECNUN)
Instituto Superior de Secretariado y Administración (ISSA)
3.2.3. Campus de Madrid y Barcelona.
IESE Business School
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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BIODEGRADACIÓN DEL FENOL EN
UN REACTOR BIOLÓGICO
1. Introducción
1.1. Un compuesto aromático: fenol
1.1.1. Fuentes de fenol
1.1.1.1. Fuentes naturales
El fenol se presenta en la naturaleza en:
La madera,
Las agujas de pino,
La orina de los herbívoros,…
El fenol también se produce a través del metabolismo de las proteínas.
1.1.1.2. Fuentes artificiales
Más del 90% de la producción mundial de fenol está obtenida con la síntesis a partir
de cumeno:
Figura 1: Formación del Cumeno
Figura 2: Formación del fenol
Compuestos no tóxicos
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Otros métodos de obtención menos empleados son la oxidación catalítica del benceno
y la hidrólisis de clorobenceno en fase vapor conocido como proceso Dow.
1.1.2. Tratamiento de compuestos aromáticos
Los fenoles y sus derivados son altamente tóxicos para el medio ambiente:
En el agua, la mayor parte de los compuestos fenólicos afectan al sistema
nervioso y circulatorio de los peces y mariscos en concentraciones de ppb. Pero un parte de
este fenol es degradado de forma aerobia1 gracias a los microorganismos existentes en el
medio.
En el aire, el fenol puede formar mezclas explosivas. Los vapores son más
pesados que el aire y el calor los oxida y explotan. Este efecto se acelera con el efecto de la luz
o de impurezas que actúan como catalizadores.
En el suelo, hay también degradación microbiana aerobia o anaerobia2 del
fenol aunque eso depende del suelo.
1.1.2.1. Tratamientos físico-químicos
En general, los tratamientos físicos-químicos se aplican a corrientes de agua residual
con alta concentración de compuestos orgánicos aromáticos. Pero el hecho es que estos tipos
de tratamientos necesitan alto costes de inversión y operación por el elevado consumo de
energía y de materias primas. Además, algunos de ellos no destruyen el contaminante, solo
lo transfieren a otra fase y generan contaminación segundaria.
Adsorción
Oxidación química.
1.1.2.2. Tratamientos biológicos
La degradación biológica o biorremediación es una tecnología que utiliza el potencial
metabólico de los microorganismos para transformar contaminantes orgánicos en
compuestos más simples, poco o nada contaminantes. Este método tiene aplicabilidad sobre
medios contaminados como suelos o sedimentos, emisiones industriales, aguas superficiales
o subterráneas, o aguas residuales como lo hace el biorreactor.
El principio fundamental de la degradación biológica se basa en que las células van a
producir una serie de reacciones de óxidación-reducción a partir de compuestos orgánicos.
Como hemos visto antes, la degradación puede hacerse de dos maneras distintas:
1 Forma en la cual los organismos necesitan oxígeno diatómico para vivir o poder desarrollarse. 2 Degradación en la que los organismos utilizan moléculas inorgánicas distintas del oxígeno (sulfato, carbonato, etc.) para vivir o poder desarrollarse.
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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Las ventajas de la biorremediación frente a los tratamientos físicos-químicos de
efluentes contaminados son varias:
Transferencia de poca contaminación de un medio a otro
Método económico de tratamiento
Aceptación por parte de la opinión publica
Para tratar aguas industriales, se pueden encontrar dos tipos de cultivo diferentes: los
cultivos en suspensión y los cultivos adheridos o soportados.
Cultivos en suspensión
Los cultivos en suspensión son sistemas que emplean microorganismos que crecen de
forma libre en el medio pudiéndose agrupar y formar flóculos entre ellos. Estos cultivos son
más sencillos que los sistemas soportados y más comúnmente utilizados para el tratamiento
de aguas residuales.
Lagunas de aeración
Lodos activos
Cultivos soportados
En los cultivos soportados se utilizan materiales sólidos como soportes para que los
microorganismos crezcan en superficies formando la película biológica. El agua residual a
tratar se hace pasar a través de este material colonizado por los microorganismos. Además,
las biopelículas aportan un aumento en la superficie específica del sistema, que se traduce en
una mayor eficacia de la biodegradación
En condiciones aerobias, la capa exterior de la biomasa realiza la degradación aerobia
de la materia orgánica. Los sustratos poco solubles como el oxígeno, pueden no difundir
hasta las zonas más internas de la biopelículas, con la consiguiente formación de zonas
anaerobias En esta interfase, dependiendo del espesor de la biopelícula, la fracción de
biomasa en contacto con el soporte suele producir degradación anaerobia.
Filtros percoladores
Discos biológicos
Reactores de lecho fluidizado
•Sustrato + O2 biomasa +CO2 +H2O
•Sustrato + (NO3-, SO42-,Fe3+, Mn4+, CO2)
Biomasa + CO2 + (N2, Mn2+, S2+, Fe2+, CH4)
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El tratamiento de las aguas residuales de lecho fluidizado corresponde a una
fluidización de tipo particulado. Es una tecnología joven en el campo de tratamiento de
aguas. El reactor utilizado en este trabajo es un variante del lecho fluidizado, “spouted-bed”,
y ha sido utilizado el polímero de -ciclodrextrina3 como soporte biológico.
1.1.3. Biodegradación aerobia de fenol
Para llevar a cabo la degradación del fenol (y de los compuestos aromáticos en
general), primero se requiere reducirlos a compuestos más simples que puedan ser
catabolizados por rutas centrales del metabolismo celular. Pueden distinguirse tres etapas
principales en las rutas de biodegradación de los compuestos aromáticos:
1. Activación del anillo aromático
2. Rotura del anillo aromático
3. Conversión del producto de rotura en compuestos de estructura carbonada
lineal, que pueden entrar en el metabolismo central de la célula.
En condiciones aerobias, las reacciones de activación y de rotura del anillo aromático,
así como la reacción de degradación del primer alcano formado después de la rotura, son
llevadas a cabo por enzimas mono y dioxigenasas. Estos enzimas activan el oxígeno
molecular y lo reducen, incorporando dentro de la molécula de sustrato aromático uno o dos
átomos de oxígeno, respectivamente.
Podemos ver en el Anexo 2, los posibles metabolitos formados a partir de la
biodegradación del fenol.
Además, para obtener un buen rendimiento en el sistema y mantener una estabilidad
en los procesos de biodegradación, varios estudios muestran la importancia que tiene un
adecuado aporte de nutrientes inorgánicos. De entre los nutrientes inorgánicos, sulfatos,
fosfatos y nitrógeno parecen ser los más importantes con una atención particular al
nitrógeno. Por eso, hay que controlar de forma recurrente el sistema, midiendo algunos
parámetros como veremos a continuación.
1.2. Material y modo de operación
1.2.1. Características del régimen “spouted-bed”
En un reactor spouted-bed, el gas (aire) se introduce en el lecho por un orificio de
diámetro inferior al diámetro de la base del cono de entrada y abre una cavidad cilíndrica
(spout), que penetra hacia la superficie del lecho. Además parte del gas asciende por la zona
anular que rodea el spout, y por la que desciende el sólido.
3 Cf. Anexo 1
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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Figura 3: Reactor spouted-bed
El sistema utilizado en este estudio es un sistema tres fases, sólido-liquido-gas, donde
el líquido que es la fase continua es conducida principalmente con el concurrente flujo
ascendente del gas y líquido. En el reactor se incorpora un tubo concéntrico dispuesto en el
centro de la región del lecho, y un inyector de gas y líquido localizado debajo del tubo
central. El aire asciende por el interior del tubo central creando una diferencia de densidades
entre éste y la región anular del reactor. Como consecuencia se establece una recirculación
del fluido dentro el reactor.
1.2.2. Sistema experimental
El reactor utilizado ha sido un reactor hecho a medida, modificado de manera que el
aire llegue por el tubo central (grandes burbujas) para la circulación en el spout y de forma
lateral (pequeñas burbujas) para mejorar la transferencia de oxígeno. La oxigenación se
consigue mediante la implantación de seis agujas de diámetro pequeño dispuestas alrededor
de la parte inferior del reactor.
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1.2.2.1. Esquema del sistema experimental.
En la Figura 4 se puede ver de manera clara como funciona este proceso. La solución
de fenol y de nutrientes están dentro depósitos de polietileno4 (Cole Parmer, USA) de 10 y 20
litros respectivamente. Después, cada solución llega a una bomba peristáltica Masterflex®
L/S® (Cole Parmer, USA) que ajusta el caudal de entrada de ambas soluciones. Un
compresor (Jun Air, Dinamarca) provee de aire al sistema después de pasar por un filtro de
aire (Festo, Alemania) y por un controlador de flujo másico GFC de 0-5000mL.min-1
(Aalborg, USA). que controla el caudal de aire de entrada al biorreactor. El aire se divide en
dos vías de entrada. La vía central entra junto con las soluciones de nutrientes y de fenol por
el orificio inferior del biorreactor y la vía lateral por el dispositivo de agujas explicado en el
apartado anterior. Por último el exceso de biomasa en suspensión se recoge en un
decantador.
Figura 4: Sistema experimental
4 Todo el material está descrito en el Anexo 4
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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El reactor y el decantador están descritos en las siguientes partes:
1.2.2.2. Reactor
Aquí están desarrolladas las medidas del biorreactor, con una vista de la parte
superior y de la inferior:
Figura 5: Fotografía y esquema del reactor Detalle de la parte superior
Detalle de la parte inferior
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1.2.2.3. Decantador
El decantador también se realizó de manera única, según las siguientes medidas:
Figura 6: Esquema y fotografía del decantador
1.2.3. Parámetros monitorizados
Para seguir el funcionamiento del reactor, optimizar la biodegradación del
contaminante, en nuestro caso el fenol, y controlar los vertidos, hay que tener en cuenta
algunos parámetros importantes que afectan al proceso biodegradativo:
pH
conductividad
oxígeno disuelto
temperatura
concentración de amonio
densidad óptica
sólidos volátiles totales
potencial redox
concentración de nitrato
biomasa en el decantador
concentración de fenol
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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Las variables operativas de este trabajo son:
La carga orgánica de entrada
La carga de salida
La eficacia
El tiempo de residencia hidráulico
Una parte de mi trabajo consistía en las medidas de algunos de estos parámetros. Los
que voy a describir a continuación han sido los que he medido.
Para los análisis se toman, con una jeringa de 20mL, unos 40mL de muestra de la
zona del efluente en un vaso de 50mL, con guantes de protección.
Las medidas se tomaron a diario.
1.2.3.1. Oxígeno disuelto
Las medidas se tomaron con un oxímetro HI 91410 (Hanna, Italia), que mide el
oxígeno disuelto en el medio (ppm o mg/L), que fue calibrado y sometido a mantenimiento
según las instrucciones del fabricante.
Hay que realizar tres medidas o más con un tiempo de 1 minuto entre cada medida
para después hacer un promedio de estos valores.
Se tomaron medidas periódicamente del oxígeno disuelto en el sistema, de forma que
pudiéramos ajustar el caudal de aire de entrada dependiendo del valor de oxígeno disuelto
obtenido. Un valor por debajo de 2 ppm indica que el sistema requiere mayor cantidad de
aire. Un valor por encima de 5 ppm, indica que el sistema tiende a la saturación y, por tanto,
hay poca actividad degradativa.
1.2.3.2. Temperatura
Las medidas se realizaron con un termómetro HI 98804 (Hanna, Italia), que mide la
temperatura en grados centígrados (°C). El reactor dispone de un calentador Protemp S26
(JBL, Alemania) para calefactar el medio y obtener así una temperatura constante y óptima
para la biodegradación, que es de 28-30°C.
1.2.3.3. Conductividad
Las medidas se realizaron con un conductímetro 524 (Crison, España), que mide la
conductividad en mS.cm-1. Antes de realizar las lecturas, se consideró un tiempo de
aclimatación de la sonda de 3 minutos.
La conductividad eléctrica da una idea de la salinidad del medio, y por tanto, de la
proporción de nutrientes minerales presente. Se ha observado que una conductividad
alrededor de 2,5-3,5 mS.cm-1 es adecuada para el sistema.
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1.2.3.4. Amonio, Nitrato, Potencial redox
Amonio y nitrato
Las medidas de la diferencia de potencial (ddp) generada por la presencia de nitrato
(NO3-) y amonio (NH4+) se tomaron con sondas específicas: Crison 9662 (España) para el
nitrato y Crison 9663 (España) para el amonio. Se mide la ddp con un electrodo de referencia
Crison. Las medidas están en milivoltios (mV). Gracias a la curva de calibrado que relaciona
la diferencia de potencial y la concentración, podemos determinar la cantidad de amonio y
nitrato que hay en nuestro medio.
N.B.: Los valores de concentración de amonio y nitrato también pueden ser
analizados con tiras de Merckoquant®. Es un método colorimétrico semicuantativo para
medir concentraciones entre 10 y 500 mg/L de nitrato o amonio.
Debido a estos estudios comparativos entre la sonda de nitrato y las tiras
colorimétricas de nitrato, se constató que los valores no eran los mismos, por lo que se
propuso utilizar un método alternativo (Método del salicilato sódico5 de J. Rodier) para
cuantificar el nitrato en el medio.
Potencial redox
Las medidas de potencial red/ox se tomaron con un electrodo Crison 5044 (España),
en milivoltios (mV). El potencial red/ox es una medida de la actividad de los electrones. Está
relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el pH mide la
actividad de protones y el potencial red/ox mide la de los electrones. Medidas positivas
corresponden a un medio oxidado, entonces oxigenado, en el que crecen las partículas
aerobias de nuestro sistema.
1.2.3.5. pH
Las medidas de pH se realizaron con un pH-metro HI 98615 (Hanna, Italia), que se
calibra de forma periódica con la soluciones tampón (pH 7 y 4), la temperatura viene
ajustada en el sistema. La solución nutritiva suele hacer tampón en el medio, porque en
general los compuestos generados por la biodegradación son ácidos. Si el pH está bastante
ácido (pH<5), se tiene que basificar un poco más la solución nutritiva añadiendo unos
mililitros de sosa concentrada, teniendo cuidado en no convertir el NH4+ en NH3 según la
reacción siguiente:
1.2.3.6. Concentración de fenol.
La medida de la concentración de fenol en el reactor se realizó en dos pasos:
Centrifugación y filtración
Análisis de espectrofotometría UV-visible
5 Cf. Bibliografía
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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Centrifugación y filtración
Dada la turbidez de las muestras, éstas se centrifugaron previamente a 5000 rpm
durante 15-20 minutos en centrífuga Labofuge 200 (Hearaeus, Alemania), y a continuación
fueron filtradas a través filtros de jeringa de nylon de diámetro 25mm y diámetro de poro de
0,45µm (Albert, España).
Análisis de espectrofotometría UV-visible
El análisis de la concentración de fenol en el efluente del reactor spouted-bed se llevó a
cabo mediante espectrofotometría UV-visible por medida de absorbancia a 270 nm. Se
empleó un espectrofotómetro HP 8452 (Hewlett Packard, EEUU), que puede medir un
intervalo de longitudes de onda de entre 190 y 820 nm. El espectrofotómetro se encuentra
controlado por un ordenador para el registro y análisis de datos. Las cubetas empleadas para
las medidas son de cuarzo (Hellma, Alemania) y con un paso óptico de 10 mm.
La concentración de fenol se obtuvo a partir de la recta de calibrado correspondiente
que relaciona la concentración de fenol con la absorbancia del fenol a 270 nm.
1.2.3.7. Carga orgánica de entrada
La carga de entrada se define como la
cantidad de gramos de fenol que entran en el
sistema en una unidad de volumen en un día.
Para ello se tiene en cuenta el caudal de
alimentación (Qe), tanto de nutrientes (Qn) como
de fenol (Qf), la concentración de fenol de
alimentación (C’), el tiempo de permanencia (t) y
el volumen del reactor (V).
Siendo
C0: concentración inicial de fenol en el deposito
1.2.3.8. Carga de salida
La carga de salida (Cs) se define como la cantidad de gramos de fenol que hay en el
efluente en una unidad de volumen durante un día. Teniendo en cuenta la ley de
conservación de la materia, el caudal de alimentación es igual al caudal de salida. La
concentración de fenol (C’’) es la registrada en el análisis de muestras del efluente por
espectrofotometría UV-visible. La carga de salida queda definida como:
Figura 7: Esquema explicativo
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1.2.3.9. Eficacia
La eficacia de depuración o de biodegradación (E) se define como el porcentaje de la
carga de entrada eliminada en el reactor:
1.3. Resultados
1.3.1. Parámetros
Figura 8: Representación de la carga de entrada de fenol y de la eficacia del biorreactor durante mis prácticas
Mi periodo de prácticas se hizo durante las fases representadas en la Figura 8,
sabiendo que cada cambio de fase corresponde a un cambio de carga de entrada de fenol
cuando el sistema alcanza el estado estacionario (sistema más o menos estable). Se aumentó
la carga de entrada de fenol de 2,644 kg.m-3.d-1 hasta 3,881 kg.m-3.d-1 y la eficacia fue
relativamente alta por encima de 97,50% y la mayor parte del tiempo más de 99%. Así que, el
biorreactor funcionó muy bien en cuanto a su capacidad biodegradativa de fenol.
Efi
caci
a (
%)
Carg
a d
e e
ntr
ad
a (
kg
.m-3
.d-1
)
FASE 16 FASE 17 FASE 18 FASE 19
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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Los parámetros que voy a presentar a continuación corresponden primero a la Fase
16, fase inestable, y a la Fase 19, fase estable. Se escogen estas dos fases para representar el
comportamiento de los parámetros ante una variación en la eficacia de biodegradación.
1.3.1.1. Fase 16
Fecha Temperatura
(°C)
Conductividad
(mS.cm-1)
Oxígeno
disuelto
(mg.L-1)
Amonio
(mg.L-1)
Potencial
redox (mV) pH
08/04/2010 30,1 1,985 0 9,1 273 5,07
09/04/2010 29,9 2,44 0,03 43 254 5,82
12/04/2010 28,8 2,76 0,73 37 274 6,36
13/04/2010 29,4 4,15 0 108 289 6,75
14/04/2010 29,8 2,33 0 37 223 5,74
15/04/2010 30,6 2,31 0,04 33,4 311 5,99
16/04/2010 30,2 2,02 0,79 20,6 272 5,98
20/04/2010 29,6 2,35 1 33,4 288 6,37
21/04/2010 28,8 2,53 0,60 48,7 266 6,11
Tabla 1: Parámetros de la fase 16
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A continuación se compararán los datos representados en la Gráfica 2 referidos al
potencial Red/Ox, al pH y a la concentración de amonio con la eficacia del sistema.
Figura 9: Eficacia y potencial redox en la Fase 16
En la Figura 9 se observa que cuando la eficacia aumenta, aumenta también el
potencial redox y viceversa. Esto puede significar que cuando el ambiente es reductor, el
sistema lo acusa bajando con ello la eficacia. En cambio, la Figura 10 referida al pH, tiene una
lectura diferente. Cuando el pH disminuye, aumenta la eficacia. Esto se traduce, que al haber
un aumento de la biodegradación, los metabolitos resultantes al ser casi todos ellos de origen
ácido, disminuyen el pH.
Figura 10: Eficacia y pH en la Fase 16
Po
ten
cia
l R
ed
/Ox
(ñ
V)
Efi
caci
a (
%)
pH
Efi
caci
a (
%)
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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25
Figura 11: Eficacia y concentración de amonio en la Fase 16
Por último, la Figura 11 muestra el comportamiento del amonio frente la eficacia.
Cuando la eficacia de degradación disminuye, aumenta la concentración de amonio. Esto es
debido a que el cultivo bacteriano no utiliza tanta fuente de nitrógeno-amonio al no
metabolizar tanta carga de fenol. En la misma gráfica, se aprecia un valor muy alto en la
concentración de amonio (108 mg/L) que no concuerda con la tendencia de la concentración
de amonio con respecto la eficacia comentada recientemente. Concretamente, según la
tendencia explicada, este punto del día 13-4-10 tendría que ser un poco menor que sus
puntos contiguos del 12-4-10 y del 14-4-10 (37 mg/L). Este hecho se puede explicar ya que
ese día hubo un cambio en el tubo del depósito de nutrientes. No se puso el tubo adecuado
que ajusta a la bomba peristáltica, por lo que no se pudo ajustar bien el caudal de entrada de
nutrientes y con ello el de amonio. Una vez constatado el error, se subsanó, y como se puede
ver en la gráfica el amonio volvió a su comportamiento anterior.
Este hecho también afectó al comportamiento del pH y del potencial redox. En el
mismo día se puede apreciar en la Gráfica 4, que el pH según el comportamiento esperado
referido a la eficacia de biodegradación tendría que ser más bajo. El hecho de haber mayor
entrada de volumen de nutrientes, propició a crear un efecto mayor de tampón en el pH,
enmascarando así la tendencia explicada en la Figura 11. Por último, también se puede
comentar que el potencial redox también se vio afectado, disminuyendo tremendamente su
potencial el día siguiente a este hecho como se puede apreciar en la Figura 9.
[NH
4+]
(mg
.L-1
)
Efi
caci
a (
%)
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26
1.3.1.2. Fase 19
Fecha Temperatura
(°C)
Conductividad
(mS.cm-1)
Oxígeno
disuelto
(mg.L-1)
Amonio
(mg.L-1)
Potencial
redox (mV) pH
18/05/2010 29,3 2,91 0,04 35,6 271,3 6,59
19/05/2010 30,3 2,60 0,09 25,4 261 6,55
20/05/2010 29,7 2,49 0,21 55,2 293 5,86
21/05/2010 28,6 2,67 0,14 66,7 273 5,66
24/05/2010 29,7 2,83 0 62,6 286 4,83
26/05/2010 29,6 2,77 0,11 85,7 284 4,37
27/05/2010 29,1 3,06 0 91,2 293 4,61
28/05/2010 30,5 3,09 0,08 85,7 305 5,03
31/05/2010 30,4 2,67 0,04 62,6 287 4,61
Figura 12: Parámetros de la Fase 19
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Figura 13: Eficacia y potencial redox en la Fase 19
Figura 14: Eficacia y pH en la Fase 19
Figura 15: Eficacia y concentración de amonio en la Fase 19
Po
ten
cia
l R
ed
/Ox
(ñ
V)
Efi
caci
a (
%)
pH
Efi
caci
a (
%)
[NH
4+]
(mg
.L-1
)
Efi
caci
a (
%)
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En la Fase 19 observamos la misma tendencia de los parámetros redox, pH y
concentración de amonio con respecto a la eficacia que vimos en la Fase 16. Al ser esta Fase
19 más estable, las tendencias explicadas en la fase 16 se pueden apreciar mejor. Las Figura
13, 14, 15, muestran un potencial redox óptimo alrededor de 290-300 mV, un pH óptimo de
alrededor de 5 y una concentración de amonio óptima no superior a 60 mg.L-1.
1.3.2. Nitrato
Con el método del salicilato sódico, se realizaron medidas de nitrato con muestras
congeladas del inicio de las fases, para compararlos con los datos de la sonda y de la eficacia
en estos momentos:
Figura 16: Concentraciones de nitrato según la sonda y el método colorimétrico
Figura 17: Eficacia durante el mismo periodo que en la Figura 16
Co
nce
ntr
aci
ón
de
nit
rato
(m
g.L
-1)
Co
nce
ntr
aci
ón
de
nit
rato
(m
g.L
-1)
Método ionométrico Método colorimétrico
Efi
caci
a (
%)
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Poniendo en relación las dos gráficas (Figura 16 y Figura 17), se puede ver que la tendencia de la concentración de nitrato dada por la sonda es la misma que la eficacia pero en sentido contrario, cuando aumenta la concentración de nitrato del método ionométrico, disminuye la eficacia. La concentración dada por la sonda es mucho más elevada que con el método colorimétrico, porque al parecer, esta sonda toma en cuenta también otros compuestos nitrogenados que pueden estar presentes en el medio (actualmente en estudio). Por ello, aunque a veces la sonda pueda dar niveles altos de nitrato, el método colorimétrico no los detecta (valores del 6-6-2009 al 26-6-209). Pero aunque haya esta diferencia, las variaciones son muy parecidas. Se puede observar que cuando la tendencia es la misma con los dos métodos, cuando hay un cierto equilibrio, la eficacia es óptima mientras que cuando hay un cambio entre ambos dos métodos, la eficacia se ve afectada y disminuye.
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2. Transferencia de oxígeno
En procesos aerobios, el oxígeno es indispensable para el crecimiento, el
mantenimiento y la producción de microorganismos. Entonces es necesario aportar al
sistema la cantidad suficiente de aire en cada momento y por eso hay que saber la velocidad
a la que el oxígeno se disuelve en el medio y la velocidad a la que se consume. La
transferencia de oxígeno es a menudo el paso limitante de la velocidad dentro los procesos
aerobios debido a la baja solubilidad del oxígeno en el medio. Por eso la determinación del
coeficiente de transferencia de aire (kLa) es indispensable y crucial para el diseño, la
operación y un buen funcionamiento en un biorreactor aerobio.
2.1. Materiales y métodos
2.1.1. Equipamiento.
2.1.1.1. Reactor
Se ha empleado un reactor gemelo con el utilizado paralelamente en el estudio de
biodegradación de fenol (párrafo 1.2.2.2.). El reactor se llenó con agua desionizada, tomando
como volumen de trabajo hasta donde llegaba el sensor de la sonda (Figura 8).
Figura 18: Esquema del reactor
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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2.1.1.2. Sonda
El medidor utilizado para medir el oxígeno disuelto en el medio acuoso ha sido la
sonda óptica getOtwo SW C1001 LNR (Alemania). Esta sonda tiene una cápsula llena de tinte
sensible específico con moléculas que emiten una señal fluorescente:
Figura 19: Esquema explicativo de la cápsula
Cuando estas moléculas entran en contacto con el oxígeno, la señal fluorescente
disminuye y gracias a la relación de Stern-Volmer, se puede encontrar la concentración de
oxígeno:
I: intensidad fluorescente
: tiempo de decaimiento de la
fluorescencia
KSV: constante de Stern-Volmer
: concentración de oxígeno
Figura 20: Señal dada por la sonda con la evolución de la concentración de oxígeno
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2.1.1.3. Controladores
Controladores de flujo másico GFC (Aalborg, USA), han sido utilizados para realizar
la aireación del sistema reactor-agua. Las medidas se realizaron según las condiciones
siguientes, dependiendo del caudal requerido, como lo veremos a continuación:
controlador GFC de 0-2000mL.min-1 caudal lateral
2 controladores GFC de 0-1000mL.min-1 en paralelo caudal central
2.1.2. Coeficiente de transferencia de oxígeno
Para determinar el kLa, que corresponde a la cantidad de oxígeno transferido por
unidad de aire introducido tomando en cuenta el volumen del reactor, existen varios
métodos (Métodos de medida del kLa sin consumo biológico de oxígeno)
Métodos químicos: método de oxidación del sulfito sódico, absorción del CO2
Métodos físicos, como el método dinámico
Cuando se selecciona un método, se tienen que tener en cuenta factores como:
Los sistemas de aeración y homogeneización utilizados,
El tipo de reactor y su diseño mecánico,
La composición del medio de fermentación,
El efecto posible de la presencia de microorganismos.
El balance de masa para el oxígeno disuelto en la fase líquida, bien mezclada, se
puede establecer como:
: velocidad de acumulación de oxígeno en la fase líquida
OTR: velocidad de transferencia de oxígeno del gas al líquido
OUR: tasa de consumo de oxígeno por los microorganismos (mol O2.m-3.s-1)
: tasa especifica de oxígeno consumido por los microorganismos
: concentración de la biomasa
En nuestro caso, se utilizo el método dinámico.
2.1.2.1. Método dinámico
Este método está basado en la medida de la concentración de oxígeno disuelto dentro
de un medio con absorción o desorción de oxígeno. Después de un cambio en la
concentración del gas de entrada (oxígeno o nitrógeno), se analiza el cambio de la dinámica
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en la concentración de oxígeno. La ecuación (2.1.) puede ser utilizada, siendo OUR=0, con los
resultados de la integración (entre dos tiempos diferentes):
C*: concentración saturada de oxígeno disuelto cuando (mg/L)
t1, t2: tiempo (s)
C1, C2: concentración de oxígeno disuelto en t1 y t2 respectivamente (mg/L)
kLa: coeficiente de transferencia de masa volumétrico del oxígeno (s-1)
Desorción
La técnica de desorción consiste en suministrar aire hasta que se alcanza la
concentración saturada de oxígeno en el medio. Tras la saturación de oxígeno, se introduce
nitrógeno por la parte de la base del reactor y la concentración de oxígeno disuelto
disminuye con el tiempo. Con esas condiciones: C1=0 a t1=0, la ecuación (2.2.) se expresa
como:
t: tiempo (s)
CL: concentración de oxígeno disuelto dentro el liquido en un tiempo t (mg/L)
CL0: concentración de oxígeno disuelto dentro del liquido en el tiempo t = 0 (mg/L)
Absorción
La técnica de absorción consiste en producir la eliminación del oxígeno en la fase
liquida, burbujeando nitrógeno hasta que la concentración en oxígeno alcance el cero. Una
vez se alcanza una concentración de oxígeno de 0 ppm, se pone en contacto de nuevo la fase
acuosa con el aire, midiendo la variación de la concentración de oxígeno disuelto en función
del tiempo. Con estas condiciones: C1=0 a t1=0, la ecuación (2.2.) puede ser expresada como:
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2.1.2.2. Técnica de absorción
Medidas
Se han realizado diferentes medidas con la sonda getOtwo (sonda óptica) para los
caudales y las proporciones caudal central/caudal total resumidos en la siguiente tabla:
Qspout/Qtotal
(%) 100 75 50 25 0
Qtotal
(mL/min) Qspout Qanular Qspout Qanular Qspout Qanular Qspout Qanular Qspout Qanular
250 250 0 187,5 62,5 125 125 62,5 187,5 0 250
500 500 0 375 125 250 250 125 375 0 500
750 750 0 562,5 187,5 375 375 187,5 562,5 0 750
1000 1000 0 750 250 500 500 250 750 0 1000
1250 1250 0 937,5 312,5 625 625 312,5 937,5 0 1250
1500 1500 0 1125 375 750 750 375 1125 0 1500
1750 1750 0 1312,5 437,5 875 875 437,5 1312,5 0 1750
2000 2000 0 1500 500 1000 1000 500 1500 0 2000
2500 1875 625 1250 1250 625 1875
3000 1500 1500
Tabla 2: Medidas realizadas con las condiciones del § 2.1.1.3.
Para las medidas de oxígeno disuelto se ha tenido en cuanta el parámetro presión
atmosférica de forma diaria. La presión ha sido medida en un barómetro en milímetros de
mercurio (mmHg) Esta medida ha sido transformando en milibares sabiendo que un 1 bar =
750,06 mmHg, ya que la presión atmosférica en el programa de la sonda viene expresada en
esta unidad de medida.
Esquema:
La sonda está sumergida
en el reactor como vemos en este
esquema adjunto. A su vez la
sonda está conectada al software
donde se descargan las medidas
tomadas de forma directa:
Figura 21: Esquema explicativo
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Adquisición de datos:
En la Figura 11 se muestra una captura de la pantalla del programa de la sonda:
Figura 22: Captura de una pantalla del programa
Temperatura medida (°C)
Oxígeno disuelto (mg/L)
Barra de información sobre el estado del
programa
Barra de información sobre donde están
guardados los datos
Botón de marcha y parada para
registrar las medidas
Curva del oxígeno disuelto en función
del tiempo
Curva de la temperatura en función del
tiempo
El intervalo de tiempo, en segundo,
entre dos medidas
Los datos registrados se guardan con un formato texto (.csv), como se puede ver en Anexo
5 y se tratan con Microsoft Office Excel©:
1. Se toman los datos de la absorción: concentración mínima de oxígeno disuelto hasta
la concentración la máxima.
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2. Para la interpretación de las medidas, se escogen entre el 20% y el 80% de estos datos
para trazar la curva
, según la ecuación (2.3.)
N.B.: Este porcentaje está tomado en cuenta para poder aproximar la respuesta dinámica del
electrodo como ecuación de primer orden.
3. El valor del kLa se obtiene directamente con la pendiente en s-1, cambiando el signo,
según la ecuación (2.3.).
N.B.: Cada medida se hace por triplicado (para un caudal y relación Qspout/Qtotal) para
obtener el correspondiente valor de kLa.
Ejemplo de grafico obtenido:
Condiciones : Qt = 500 mL.min-1
Qspout/Qtotal = 50%
Figura 23: Ejemplo de una curva de absorción
Resultado:
Pendiente = -0,0082 kLa = 0,0082 s-1
4. Los resultados finales se representaron en la gráfica kLa = f(VVM), con el kLa en h-1 y
el VVM en min-1. Siendo:
VVM: caudal de aire total entre el volumen de trabajo del reactor
Vreactor = 1250mL
y = -0,0082x - 0,0034R² = 0,9998
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0 50 100 150 200 250
Ln
(1-(
CL/C
*))
t(s)
Absorción O2
OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
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En esta tabla se puede ver la correspondencia entre ambos parametros:
Qtotal (mL/min) 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2500 3000
VVM (min-1) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2 2,4
Tabla 3: Resumen de los caudales con los VVM
2.1.3. Resultados
2.1.3.1. Comentarios
Figura 24: Resultados obtenidos
Los resultados obtenidos han salidos como se habían previsto. En la Figura 24 se
observa que a mayor caudal de aire, aumenta la transferencia de oxígeno porque cuanto
mayor es la cantidad de oxígeno que se aporta al sistema, mayor es la transferencia de
materia. En segundo lugar, cuando se utiliza la aeración lateral, se aprecia una mejora en la
transferencia de oxígeno. Esto se debe al tamaño de las burbujas ya que cuando el aire entra
por el dispositivo lateral, el diámetro de salida es más pequeño que cuando el aire entra por
el tubo central. Con el dispositivo lateral la superficie de contacto de las burbujas con el
líquido es mayor y permite un mejor intercambio de oxígeno con el medio acuoso.
Las curvas obtenidas tienen una tendencia bastante lineal con una predisposición a
saturarse con altos caudales. Esto es debido a que, aunque se introduzca más oxígeno, el
volumen de líquido se satura y no puede oxigenarse más.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Kla
(h
-1)
VVM (min-1)
KLa = f(VVM)
Qspout/Qt (%) = 100%
Qspout/Qt (%) = 75%
Qspout/Qt (%) = 50%
Qspout/Qt (%) = 25%
Qspout/Qt (%) = 0%
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38
Así, como en nuestro biorreactor no podemos solo oxigenar con la aireación lateral
porque es un reactor spouted-bed y necesita una buena fluidización, se tiene que encontrar el
caudal y la proporción Qspout/Qtotal ideal para una oxigenación eficaz para las bacterias.
Según los caudales utilizados en el biorreactor se puede ver que la proporción ideal para una
buena fluidización en spouted-bed es de Qspout/Qtotal = 25%. El caudal total se elige mediante
el nivel de crecimiento de las bacterias (los datos no se recogen en este trabajo) y las medidas
de oxígeno disuelto (cf. §1.2.3.1.)
2.1.3.2. Problemas encontrados
Antes de usar la sonda óptica getOtwo para hacer las medidas, se utilizó una sonda
eléctrica Orion 081010 (Orion, Canada). Pero con esta sonda era difícil tratar de manera
adecuada los datos porque había mucho ruido en la curva OD = f(t), como se puede ver en
este ejemplo:
Figura 25: Ejemplo con la sonda eléctrica
Aunque la tendencia sea la misma, hay mucho ruido. Este ruido se debo a una
acumulación de las burbujas de aire en la membrana de la sonda.
Un ajuste con un método matemático hubiera hecho posible el tratamiento de las
medidas tomadas con esta sonda, pero los resultados hubieran sido más imprecisos que con
los de la sonda óptica.
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
DO
pp
m
t(s)
750 mL/min - 0%
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CONCLUSION
elativo a la parte experimental, ¡el trabajo hecho ha sido extremadamente
interesante! Interesante en el sentido que me hubiera gustado trabajar sobre un
asunto en relación con el tratamiento de residuos y al final estuve trabajando con este tema.
En efecto desde el primer día, empecé a conocer el biorreactor, familiarizarme con él y vi
cómo se hacían las medidas de los parámetros y porqué se hacían. Llegar a controlar el
reactor no es una cosa tan sencilla, muchos parámetros tienen que ser tomados en cuenta y
además es un sistema que contiene bacterias, y ¡hay que cuidarlas!
Me esmeré en hacer mi trabajo, de modo que puse a punto, la segunda semana, el
método colorimétrico para medir el nitrato en las muestras. Vimos directamente que algo
interfería con las medidas de la sonda porque las medidas estaban diferentes, pero gracias a
este método hemos podido relacionar la concentración de nitrato y amonio y ver claramente
la tendencia.
La parte sobre la transferencia de oxígeno ha sido las más importante porque era
necesario realizar ensayos para optimizar le transferencia de oxígeno en el sistema spouted-
bed. Llegué a obtener resultados interesantes con el agua solo pero no me ha dado tiempo a
realizar más ensayos con partículas simulando el polímero dentro del biorreactor y tampoco
con un medio viscoso. Los resultados así obtenidos hubieran sido más cercanos a la realidad.
El tratamiento de manera biológica de los residuos debidos a la industria química es
el objetivo de mañana. Este trabajo ha sido solo la parte emergida del iceberg pero con el
mismo objetivo, es decir, optimizar este reactor encontrando las mejores condiciones
posibles, intentando minimizar la energía gastada.
elativo a la parte personal, ¡también ha sido una experiencia incomparable! He
conocido a personas que me ayudaron durante todo el periodo y con las que he
aprendido muchas cosas. Aprendí a ser más autónomo y tomar más iniciativas para intentar
ayudar el más posible a mi cotutora, que tenía ya muchas cosas que. El hecho de estar estos
meses en un ambiente hispánico hace mejorar mucho el idioma y sobre todo el vocabulario
cotidiano y del laboratorio. Al principio da un poco de vergüenza hablar con la gente así de
repente, pero las personas que frecuenté te hace sentir bien y a gusto en la universidad. Nos
han integrado rápidamente.
R
R
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BIBLIOGRAFÍA
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Metcalf & Eddy, Inc.,
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bed de tubo central soportado sobre polímeros de -ciclodrextrina.
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2. Artículos
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OPERACIÓN DE UN REACTOR BIOLÓGICO PARA TRATAR AGUA RESIDUAL FENÓLICA 2010
Kévin PASCUAL | Informe de prácticas
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3. Sitios de internet
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http://www.aalborg.com/index.php/
http://www.hannainst.com/
http://www.orion-electrochimie.com/
http://www.monografias.com/trabajos10/tratamie/tratamie.shtml#LAGUNAS
http://www.getsens.com/www/getsens.nsf/main_en.html
http://biomedbiotec.homelinux.org/congreso2010/Extensos/Tec_ambiental/A
MB433SAA20100107.pdf
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ANEXOS
1. Hoja de seguridad del fenol
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2. Polímero de -ciclodextrina (PCD)
2.1. Síntesis
2.2. Características y fórmula
β-ciclodextrina, oligosacárido cíclico de 7
unidades de glucopiranosa
Comportamiento anfifílico
Polimerización por entrecruzamiento
Partículas insolubles de hidrogel de forma
esférica ( ø: 0.97)
Baja densidad (ρ: 1.40-1.41 g/ml)
poly(-cyclodextrin)
+
-cyclodextrin
O Cl
epichlorohydrin
NaOH
(aq)
poly(-cyclodextrin)
+
-cyclodextrin
O Cl
epichlorohydrin
NaOH
(aq)
poly(-cyclodextrin)poly(-cyclodextrin)
+
-cyclodextrin-cyclodextrin
O Cl
epichlorohydrin
O ClO Cl
epichlorohydrin
NaOH
(aq)
NaOH
(aq)
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3. Biodegradación del fenol
3.1. Mecanismo
1. Difusión del contaminante en el agua residual
2. Absorción del contaminante en la película
biológica
3. Degradación biológica del contaminante en
subproductos
4. Desorción de los subproductos de la
biopelícula
5. Difusión de los subproductos a la fase líquida
6. Adsorción de los subproductos en la fase sólida
3.2. Posible metabolitos formados
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4. Material
Depósito de
polietileno Bombas peristálticas Compresor Filtro de Aire
Controlador de flujo
másico GFC
jeringa de 20mL
+ tubo oxímetro HI 91410
Termó-
metro
HI 98804
Calentador
ProtempS26
Conductímetro 524 Crison 9662 Crison 9663 Tiras Merckoquant
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Potenciómetro
Crison 5044
pH-metro HI 98615
Centrífuga Labofuge 200
Jeringa de naylon
Espectrofotómetro HP 8452
Cubeta Quartz
Sonda óptica getOtwo SW C1001 LNR
Orion 081010
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5. Datos kL
a.
5.1. Adquisición sonda.
Condiciones: Qt = 500 mL.min-1
Qspout/Qtotal = 50%
Sensor Serial Nr 2,92E+12 Sensor EAN 2,51E+12 Macros ID C:\Archivos de programa\getSens\getOtwo SW C1001
LNR\Macros\getOtwo_Configuration.xml%06.05.2010 09:47:11 AM
Adj. ID not in use User admin Date 31.05.10 11:09:03
Time Temp. Sensor-Tip Unit Oxygen Unit User Comment Remarks
31.05.10 11:09:03 781 21,5743599 °C 0,49539519 mg/l 31.05.10 11:09:04 812 21,570879 °C 0,49535815 mg/l 31.05.10 11:09:05 796 21,5737782 °C 0,47882431 mg/l 31.05.10 11:09:06 828 21,5795803 °C 0,49454127 mg/l 31.05.10 11:09:07 859 21,5743599 °C 0,48350709 mg/l 31.05.10 11:09:08 875 21,5766811 °C 0,49026395 mg/l
5.2. Tratamiento de datos.
5.2.1. Hoja 1.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 50 100 150 200 250 300 350 400
DO
pp
m
t(s)
500 mL/min - 50%
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5.2.2. Hoja 2.
Muestras t(s) DO (mg/L) Ln(1-(CL/C*))
784 0 0,84667515 -0,10116166
C* (mg/L)
Kla(s-1) Kla(h-1)
785 1 0,85542275 -0,10226213
8,8
0,0082 29,52
786 2 0,86052201 -0,10290419 787 3 0,88629524 -0,10615568 788 4 0,90023573 -0,1079188
20% C* (mg/L) 80% C* (mg/L) 789 5 0,91425553 -0,10969509
1,76 7,04
790 6 0,94098022 -0,11308983 791 7 0,97398103 -0,11729777
1116 362 8,06706245 -2,4854465
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STAGE ERASMUS 2010
Etudiant : PASCUAL Kévin
Université d’accueil : Université de Navarre
Département : Chimie et Edaphologie
Aire : Génie chimique
Tuteur : Dr. Francisco Javier Peñas
Cotutrice : Bárbara Safont Resardi
Title of the Project: Operation of a biological reactor to
treat phenolic wastewater
Titulo del proyecto: Operación de un reactor biológico
para tratar agua residual fenólica
Titre du projet : Exploitation d’un réacteur biologique pour
traiter de l’eau résiduelle phénolique
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Abstract: Introduction to treatment of phenolic waste water by using a spouted-bed
bioreactor. The work is based on the maintenance of the reactor and the study of air
transfer coefficient (kLA). It involves the measurement of important parameters on
the reactor (pH, redox, ammonium concentration, nitrate, calculate the efficiency of
the reactor,...), the development of a method for colorimetric determination of nitrate
and determining the oxygen transfer coefficient of the system.
Key-words: bioreactor, waste water, oxygen transfer, phenol, nitrate dosing, efficacy
Resumen: Introducción al tratamiento de aguas residuales fenólicas utilizando un biorreactor
de spouted-bed. El trabajo se basa en el mantenimiento del reactor y el estudio de
coeficiente de transferencia de aire (kLa). Se trata de medir los parámetros
importantes del reactor (pH, potencial redox, concentración de amonio y nitrato,
calcular el rendimiento del reactor,...), de desarrollar un método colorimétrico para
obtener la concentración de nitrato y de determinar el coeficiente de transferencia de
oxígeno del sistema.
Palabras claves: biorreactor, agua residual, transferencia de oxígeno, dosificación de nitrato, eficacia
Résumé : Initiation au traitement de l’eau résiduelle phénolique à l’aide d’un réacteur
biologique spouted-bed. Le travail est basé sur la maintenance du réacteur et l’étude
du coefficient de transfert d’air (kLa). Il consiste en la mesure des paramètres
importants concernant le réacteur (pH, potentiel redox, concentration en ammonium
et nitrate, calcul de l’efficacité du réacteur,…), la mise au point d’une méthode de
dosage colorimétrique du nitrate et la détermination du coefficient de transfert
d’oxygène lié au système.
Mots-clés : bioréacteur, eau résiduelle, transfert d’oxygène, phénol, dosage nitrate, efficacité