SIMULACION DE PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON REACTORES ANAEROBIOS O BIODISCOS LLOBREGAT, María J. ( 1 ), ARMANDO, Jean ( 2 ) ( 1 )Universidad de Carabobo. Valencia. Venezuela. e-mail: mjllobre@thor.uc.edu.ve ( 2 ) Instituto Universitario de Tecnología de Valencia. Venezuela. e-mail: 04551.216@compuserve.com Resumen En este trabajo se presenta la simulación de procesos de tratamientos biológicos por medio de un reactor anaerobio, donde se aplica el modelo cinético de Ramalho, o por medio de reactores biológicos rotativos de contacto o biodiscos, diseñados bajo el concepto de carga orgánica. Una vez escogido el tratamiento a efectuar e introducidos los datos necesarios, el programa de simulación, realizado en el lenguaje de programación Visual Basic, permite visualizar los resultados alcanzados por el efluente así tratado. Los resultados obtenidos utilizando este programa de simulación coinciden con los reportados por la bibliografía, con lo que se garantiza el grado de confiabilidad requerido para su uso en el diseño de los deferentes procesos contemplados. Palabras claves: Simulación, Reactor anaerobio, Biodiscos, Tratamiento de aguas residuales. INTRODUCCION Actualmente se requiere de la utilización y diseño de programas de simulación que permitan representar los procesos de tratamiento de aguas residuales, con el fin de obtener mejoras en los procesos y de automatizar el diseño de las plantas de tratamiento. Es por ello que en este trabajo se realizó la simulación de procesos de tratamiento biológicos aplicando dos tipos de tratamiento, por medio de un reactor anaerobio basado en el modelo cinético de Ramalho, y por medio de reactores biológicos rotativos de contacto o biodiscos, diseñados bajo el concepto de carga orgánica. El programa de simulación se realizó en el lenguaje de programación Visual Basic que le permite al usuario desarrollarse en el ambiente de ventanas Windows de la Microsoft Corporation, implementando los modelos seleccionados. TRATAMIENTO ANAEROBIO En un tratamiento anaerobio se logra la descomposición de los compuestos orgánicos complejos a productos finales inertes mediante la acción de bacterias en ausencia de oxígeno molecular. REMOCION DE LA DBO La formulación de este proceso está basado en una cinética de primer orden, en la que la velocidad de eliminación del sustrato,
es directamente proporcional a su concentración. Partiendo de esta hipótesis se tiene: Siendo K la constante de velocidad, y t el tiempo de reacción. Expresando esta velocidad por de sólidos suspendidos volátiles presentes en el licor mezclado, la ecuación (1) puede escribirse de la forma: llamando: donde: k es la constante de remoción del sustrato, y X v es la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el reactor. Reordenando, la ecuación (2) queda: Para un tiempo igual al de residencia, en un reactor continuo, la concentración S corresponde a la concentración remanente, S c, y la ecuación queda:
El balance de masas para el sustrato en el reactor se escribe: En régimen permanente: Sustituyendo estos valores en la ecuación anterior, resulta: Sin embargo, Por lo tanto la ecuación (11) resulta:
Esta ecuación indica que la tasa de remoción del sustrato es proporcional a la concentración del sustrato remanente S c, cinética de primer orden. Si se tiene presencia de materia no biodegradable la ecuación (13) se modifica a la forma: De la ecuación (14) un gráfico de Se permite obtener dos líneas, como se muestra en la Figura 1. Para propósitos de diseño el valor de k, tasa de remoción del sustrato, obtiene de la pendiente de la línea correspondiente a la etapa fermentación del metano, como ya se mencionó anteriormente. Mientras que el valor donde la recta corta a las abcisas correspondientes de a la concentración de sustrato no biodegradable (S n ).
Figura 1. Determinación de los parámetros de la degradación anaerobia Sólidos volátiles en el reactor anaerobio Considerando el reactor anaerobio descrito en la Figura 2 se tiene que X V,O y X V son respectivamente las concentraciones en la entrada y en el reactor. Asumiendo condiciones de régimen estacionario y de mezcla completa, la concentración de VSS en el efluente del reactor es también igual a Xv. Figura 2. Balance de materia sobre los sólidos volátiles en el reactor anaerobio Haciendo un balance de materia se obtiene la ecuación siguiente: ecuación que representa la concentración de VSS en un reactor anaerobio, donde: Si se multiplica y se divide la ecuación (15) por X v, y se agrupan términos la ecuación queda: La ecuación (18) es básica para la determinación de los parámetros a y b. Graficando
contra el tiempo, se obtienen dos rectas, la primera, para tiempos bajos, corresponde al estado de fermentación ácida, y la segunda, para tiempos altos, corresponde a la etapa de fermentación metánica. Los parámetros a y b se determinan por regresión lineal en esta curva, usando las fórmulas de los mínimos cuadrados. Un gráfico típico se muestra en la Figura 3 donde también se muestran los valores de a y b para su determinación gráfica. Figura 3. Gráfica para la determinación de los parámetros a y b. Para calcular el tiempo de retención, los valores de a y b adoptados corresponden a la etapa de fermentación del metano, ya que de acuerdo a lo anteriormente expuesto, es la etapa que controla el proceso a obtener. Cálculo del tiempo de retención A partir de la ecuación (14 ) para la remoción de la DQO y de la (15) para la concentración de VSS, se obtiene: de la ecuación (14) : de la ecuación (15) : Sustituyendo y despejando, se obtiene la ecuación para calcular el tiempo de residencia: PRODUCCION DE GAS El gas producido en la degradación anaerobia se compone de metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ), y en pequeñas cantidades sulfuro de hidrógeno (H 2 S) e hidrógeno (H 2 ). Lawrence y McCarthy [11] demostraron que la producción de gas metano se puede estimar en 5,62 pies cúbicos por libra de DQO removida, en condiciones
estándares de presión y temperatura, excluyendo la DQO removida la cual se transforma en células. La ecuación para calcular el gas producido es entonces: Donde las unidades de G son pies cúbicos de gas producido por día (en condiciones estándares de presión y temperatura), Q (S o S c ) las libras de DQO removido por día, y 1,42 Q X V las libras de VSS en el reactor por día. Luego para obtener el gas en metros cúbicos por día, se aplican las conversiones respectivas y la ecuación anterior queda finalmente: BIODISCOS Experimentalmente, se ha demostrado que, cuando existe sobrecarga orgánica, el biodisco tiene problemas de operación : por una parte, la concentración de oxígeno disuelto en la primera etapa alcanza niveles tan bajos que se presentan, indudablemente, condiciones anaerobias ; por otra, el sistema muestra un crecimiento excesivo de bacterias que causan taponamiento del medio de soporte. Como consecuencia, se reduce la eficiencia del tratamiento. Richard et al [15] descubren que, en el caso anterior, el tratamiento mejora notablemente al distribuir el flujo entre dos primeras etapas. Esto demuestra la importancia de la carga orgánica. Dupont y Mckinney [7] indican que la carga orgánica superficial no solo determina el gradiente que provoca la difusión de sustrato en la biopelícula, sino también el tiempo de reacción, y sugieren utilizar dicha carga como criterio de diseño. Stover y Kincannon [16] señalan que una de las ventajas de la carga orgánica es su capacidad para predecir la eliminación y eficiencia del tratamiento bajo cualquier condición de carga, independientemente de que la cinética sea cero, primero o segundo orden. La cantidad de materia orgánica eliminada por el sistema es proporcional a la carga orgánica, sin tomar en cuenta si las cargas están originadas por alta concentración de materia orgánica y caudal bajo o bien por caudal alto y baja concentración. Debido a lo anterior, se pueden establecer relaciones cuantitativas de eliminación de sustrato en función de la cantidad de sustrato aplicada al sistema. Debido a la importancia de la concentración de material orgánico en el influente, se empezó a utilizar, en el diseño de los biodiscos, el concepto de carga orgánica, el cual involucra el gasto, la concentración de los contaminantes y el área superficial del biodisco. De manera cuantitativa, la carga orgánica se define como: donde
Es así, que de acuerdo a la carga orgánica de entrada en el sistema de biodiscos se necesitará un área capaz de procesarla, una vez que sabemos el área de biodiscos requerida se hace la distribución en etapas, para que el tratamiento sea más eficiente. RESULTADOS Basados en toda la teoría anterior se diseñó un programa que permitiera obtener el tratamiento de un efluente por medio anaerobio o por medio de biodiscos. Se debe entonces primero seleccionar el tratamiento a efectuar. Figura 4. Selección del proceso a efectuar Luego, para el caso del sistema anaerobio, calcular a partir de los resultados en el laboratorio en reactores a escala, 1 parámetros cinéticos que rigen el proceso anaerobio característicos del efluente a tratar. Estas constantes cinéticas, S n, k, a y b, se obtienen por el método de regresión lineal de los mínimos cuadrados a partir de la introducción de los resultados del laboratorio en una venta como la mostrada en la Figura 5.
Figura 5. Obtención de los parámetros cinéticos a partir del ensayo en e laboratorio con un reactor a escala. Una vez establecida esta cinética, se procede a determinar el reactor anaerobio requerido para efectuar el tratamientos aplicando el modelo de Ramalho. Figura 6. Especificaciones del reactor anaerobio requerido
Luego se puede verificar como evolucionan tanto la DBO como los sólidos suspendidos volátiles en el reactor a través de la gráfica mostrada en la Figura 7. Figura 7. Gráfico de los resultados alcanzados con el reactor anaerobio. Para el caso de los biodiscos, el número necesario de estos se determina a partir de la carga orgánica del influente y las etapas quedan definidas al establecerse tanto el área como la carga orgánica a remover en cada etapa. Una vez introducidos los datos necesarios para definir el influente a tratar el programa desarrollado realiza los cálculos pertinentes de las unidades y presenta gráficos y figuras esquemáticas que le permiten a) usuario, o al proyectista, ver en forma ilustrada los resultados alcanzados por cl tratamiento efectuado.
Figura 8. Distribución de las etapas de los biodiscos El programa le permite al proyectista cambiar tanto el número de biodiscos, como la distribución de estos, su área, el número de sectores por biodisco y la carga orgánica aplicada en la etapa, pero siempre verifica que la nueva distribución esté acorde con el área mínima requerida para efectuar el tratamiento de acuerdo a las condiciones iniciales fijadas. Como última ventana se presenta los requerimientos en potencia a instalar de acuerdo al número de biodiscos necesarios, tal como se muestra en la Figura 9.
Figura 9. Potencia requerida a instalar CONCLUSIONES Los resultados obtenidos utilizando este programa de simulación coinciden con los reportados por la bibliografía, con lo que se garantiza el grado de confiabilidad requerido para su uso en el diseño de los diferentes procesos contemplados. Se realizan gráficos que permiten observar los resultados alcanzados muy fácilmente por simple observación de las curvas. Con el programase pueden generar reportes de los resultados en forma impresa, lo que le permite al proyectista guardar los resultados en forma escrita. BIBLIOGRAFÍA 1. ANTOINE, R. L. (1976). Fixed biological surfaces wastewater treatment. CRC Press Inc. Ohio 2. AUTOTROL CORPORATION. (1978). Autotrol wastewater treatment systems desing manual. Autotrol Corporation. Milwaukee, WI 3. ARMANDO, Jean y CORRAL, Jan. (1994). Simulación de los procesos de tratamiento biológico con Iodos activados de aguas residuales. Instituto Universitario de Tecnología Valencia. Trabajo de ascenso. Venezuela. 4. DAUTANT S., Rafael y LÓPEZ H., Hernán. (1997). Reactores biológicos de película fija tipo discos rotativos (RBC). Universidad de Carabobo. Facultad de Ingeniería. Trabajo de ascenso. Valencia, Venezuela. 5. DAUTANT S., Rafael. (1992). El uso de discos biológicos rotativos como alternativas en tratamiento de aguas residuales. Universidad de Carabobo. Facultad de Ingeniería. V Jornadas de conservación ambiental. Valencia, Venezuela.
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