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

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.

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

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

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

Activa org acetogénicosinhiben a los metanogénicos

Orgánica

Vel flujo muy altaExpulsa pobl microbiana

Hidraúlica

Existe inhibic generalde los microorg

Tóxica

BiorreactoresSobrecargas

+ 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

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.

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)

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

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

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=

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

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

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

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)

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)

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

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→

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--

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

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

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

+ 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

+ 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

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.

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

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

• Biomasa Suspensión– Mezcla Completa– Flujo Pistón

• Biomasa Inmovilizada– Rejilla– Placa– Filtro percolador– Lecho Bacteriano– Biodiscos– Contactor Biológico

Rotativo– Lecho fluidizado– etc,.

Biomasa Inmovilizada• Rejilla• Placa• Lecho Bacteriano• Filtro percolador

Biomasa Inmovilizada• Lecho fluidizado• Biodiscos• Contactor Biológico Rotativo

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

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.

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

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

9.- Sistema de lodos activos

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

∞

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

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 :

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

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

−

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 −=+

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

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

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

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 =

×+

−××=

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

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

32.0

5.32800

225.014000

VX

SQM/F 00

=×

×=

=

Ejemplo de diseño

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

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

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

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)

11.- Lechos bacterianos, filtros percoladores, biodiscos y biotorres

Lechos bacterianos

• Biomasa fija

• Aconsejable para efluentes con alta cargaorgánica

• Aplic: Ingustria agroalimentaria

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

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

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

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===

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 =

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

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

FitrosPercoladores

Contactores biológicosrotativos

Rotating Biological Contactors (RBCs)

PrimarySettling

SludgeTreatment

SecondarySettling

Sludge Treatment

Contactores biológicosrotativos

Rotating Biological Contactors (RBCs)

Biodiscos

Aeration

Shearing of excessmicroorganisms

Attached microorganismspick up organic compounds

Filmmixes withwastewater

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

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

)()( **

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

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 −⋅⋅=−⋅⋅=⋅=

⇒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

-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

-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

)(

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.

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

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

Compressed air diffusers (bubblers)

Difusores

Non buoyant design.

•Micro fine bubbles

Dependiendo del tipo de burbuja

• Poroso• No poroso

Difusores suspendidos tipo IIDifusores suspendidos tipo I

Mezclador estático

Turbina sumergida

Turbina de baja velocidad

Aireadores superficiales