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• Alonso Novoa Hidalgo

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PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS El Ingeniero Sanitario utiliza la “oxidación biológica” para convertir desechos orgánicos a formas inorgánicas. Se puede llevar a cabo la conversión por cualquiera de los procesos de tratamiento biológico para su disposición. Varios de los más populares procesos de tratamiento de este tipo son colectivamente llamado “Proceso de Lodos Activados”. Aunque los detalles varían, estos procesos tienen en común el contacto de desecho líquido con la formación previa de floc biológico en un sistema airado. El resultado final es que una porción de lo orgánico sujeto a una degradación biológica es convertida a inorgánico mientras que lo restante es convertido a un lodo activado adicional. El lodo activado esta constituido por una agrupación floculenta de microorganismos, materia orgánica muerta y material inorgánico. Los microorganismos, que incluyen bacteria, hongos, protozoarios, metazoarios, rotíferos, larvas de insectos, gusanos están relacionados los unos a los otros en una cadena de alimentación. Las bacterias y los hongos descomponen complejos compuestos orgánicos para producir por medio del desarrollo, materia celular que es utilizada para alimentar a los protozoarios. Los protozoarios a su vez son consumidos por los metazoarios. Estos últimos se alimentan también de bacterias y hongos. Un diagrama simplificado de flujo de energía a través de la cadena alimenticia se presenta en la Fig. 1.

Descomponedores (pudridores) Bacterias-Hongos

Predadores Primarios Protozoarios

Predadores Secundarios Metazoarios

Nivel Trófico 1

Nivel Trófico 2

Nivel Trófico 3 F3 F2 = H3

H1

F1 = H2 TS1 (Calor)

TS2 (Calor)

TS3 (Calor)

Nivel Trófico = Nivel de Nutrición Fig. 1: Diagrama de Flujo de Energía a través de una cadena de Alimentación.

Se puede ver de la Fig. 1 que la energía inicial asimilada por los descomponedores (pulidores) H, es utilizado para el crecimiento, una parte se pierde en la respiración, TS1, mientras que el resto, F1, es utilizado para el crecimiento, se convierte en energía comestible disponible, H2, para los predatores primarios. Una pérdida de energía similar se lleva a cabo en los niveles posteriores. De acuerdo al principio de conversión en termodinámica el flujo de energía a través de cada nivel trófico (nivel de nutrición) (anillado de la cadena) es igual a la suma de la energía libre disponible para el crecimiento y mantenimiento a ese nivel y de esa manera la entropía1 se pierde por medio de la respiración. H = F + TS Donde: H = Cambio de Entalpía.2 Entropía = Energía Consumida Entalpía = Energía Degradable

2

F = Cambio de Energía Libre. S = Cambio de Entropía. T = Temperatura Absoluta.

(1)

El término “activado” contiene en su esencia una propiedad única de lodo activado. Las superficies del floc son altamente activa en la adsorción coloidal y material suspendido en la solución. Esta propiedad se ilustra en las curvas de la Fig. 2 que muestra la remoción de materias orgánicas de una solución en contacto con lodo activado en un sistema airado sin flujo de ingreso y salida.

Remoción Total Adsorción y Sintetización neta Porcentaje de Material Orgánico Removido Oxidado

Tiempo de Contacto Fig. 2: Remoción de Material Orgánico en contacto con Lodo Activado en un Sistema aireado sin flujo, como función del tiempo.

La curva superior define la remoción total como una función del tiempo de contacto. El progreso de una oxidación biológica es seguida en la curva inferior. La curva punteada es dibujada a través de puntos derivados de la diferencia entre puntos correspondientes a lo largo de las otras curvas y representa esa porción orgánica absorbida y sintetizada por el protoplasma. Se deberá notar que inicialmente la remoción es debida casi enteramente a la absorción. La síntesis es proporcional a la oxidación biológica y, entonces podría contribuir poco, inicialmente, al total de las cantidades absorbidas y sintetizadas.

Esa porción de materia orgánica inicialmente absorbida que no es inmediatamente oxidado o utilizado en la síntesis es almacenado en el floc de lodos activados. La composición del lodo activado durante este periodo se puede expresar como: CaHbOcNdPeSf·CxHyOz Donde: CxHyOz representa el material orgánico almacenado. Cuando la capacidad total almacenada de lodo ha sido utilizada, el floc de lodo no es más “activo” en el sentido de absorbilidad. La actividad puede ser restablecida solamente después de un periodo de aireación durante el cual el material almacenado es utilizado en la oxidación y síntesis. El proceso de aireación por el cual la actividad es restablecida se denomina “Lodo Estabilizado”.

PARÁMETROS DE CONCENTRACIÓN Una variedad de términos se utiliza para expresar la concentración de materia orgánica en desechos líquidos. Uno de esos términos es simplemente el peso de materia orgánica por unidad de volumen en el liquido. Más comúnmente, la concentración es expresada como “Oxigeno Equivalente”, esto es, o lo mismo que el peso de oxigeno por unidad de volumen, líquido requerido para la oxidación de la materia orgánica presente en el líquido. La demanda de oxigeno (cantidad de oxigeno requerido para la oxidación) es proporcional la cantidad de materia orgánica que esta siendo oxidada.

DTO

DQO

DBO 1º estado

DBO 5º día

DTO = Demanda Teórica de Oxigeno. DQO = Demanda química de oxigeno. DBO = Demanda bioquímico de oxigeno. Fig. 3: Relación entre los Parámetros de la Demanda de Oxigeno

La relación entre varios parámetros de la demanda de oxigeno se indica en la Fig. 3. Esos parámetros se comparan con la DEMANDA TEORICA DE OXIGENO, (DTO) de la fracción orgánica de los desechos. La DTO es igual al peso del oxigeno por unidad de volumen de líquido requerido para una oxidación completa de la materia orgánica. CaHbOcNdPeSf + (a + 0.25b + 1.25d + 1.25e + 1.5f - 0.5c)O2 aCO2 + (0.5b – 0.5d – 1.5e – f)H2O + dNO3- + ePO4 + fSO4= + (d + 3e + 2f)H+. La demanda química de oxigeno, DQO es una medida de la cantidad de oxigeno reducido o tomado en la oxidación química, de la materia orgánica. Algunos compuestos orgánicos son resistentes a la oxidación química y no se manifiesta una demanda química del oxigeno DQO. Por esta razón DQO de un desecho particular puede no ser mayor que la DTO. El primer estado de la demanda de bioquímica de oxigeno, DBO, es el oxigeno total consumido en la oxidación biológica de la materia orgánica que se encuentra inicialmente en el desecho. Muchos de los materiales susceptibles a la oxidación química son resistentes a la oxidación biología. También, desde que parte de la materia orgánica son convertidos a través de la síntesis a protoplasma, este parámetro podría esperarse que sea bastante menor que la demanda de oxigeno DTP. La Demanda Bioquímica de Oxigeno al quinto día DBO 5 es un método estándar o un análisis estándar y mide o sirve para medir la cantidad de oxigeno utilizado en la oxidación biológica durante los primeros cinco días. La Demanda Bioquímica de Oxigeno al quinto, el primer estado de Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO 5), y la Demanda Química de Oxigeno (DQO), así como la Demanda Teórica de Oxigeno (DTO), son expresados en términos de concentración. El diagrama presentado en la Fig. 3, es para ser interpretado solamente en un sentido cualitativo. La relación real entre los parámetros variarán de acuerdo a los desechos. Para un desecho dado, sin embargo la razón de un parámetro en relación a otro debería ser constante mientras la composición del desecho se mantenga sin cambio.

La notación “c” se utiliza para presentar la concentración de la materia orgánica en términos de peso por unidad de volumen líquido. Varios términos son utilizados para expresar la concentración de lados activados en sistema de desechos. La concentración de lados de sólidos se presenta en la Fig. 4 por el área total el cerrado en el dibujo.

III Materia Inorgánica II Materia sin vida

I Microorganismos

Sólidos Activos I Sólidos Volátiles I + II Sólidos Inertes III Sólidos Totales I + II + III. Fig. 4: Composición de los Sólidos de Lodos Activados. La concentración de sólidos volátiles es una medida de la fracción orgánica de la concentración de sólidos suspendidos. Como se muestra la Fig. 4, los sólidos volátiles incluyen a los microorganismos así como a la materia orgánica sin vida. El término “Sólidos Inertes” se refiere a la fracción de materia inorgánica. La concentración de sólidos activados representa fracción de la concentración de sólidos suspendidos constituida por microorganismos. La fracción es activa en el sentido, o debido ella juega un rol activo en la oxidación biológica.

La notación “s” esta relacionada justamente a la concentración de sólidos activos. En la practica sin embargo es más conveniente sustituir la concentración de sólidos volátiles por este parámetro, o, en algunos casos, la concentración de sólidos suspendidos. En una situación estática, donde la composición de desecho orgánico no fluctúa grandemente, estos tres términos guardan una relación constante entre ellos. En tales casos, la anotación “s” puede ser utilizada para todos los términos.

REQUERIMIENTO NUTRICIONALES Y MEDIO AMBIENTE Para el uso efectivo de los procesos de Lodos Activados se requiere de una comprensión de los requerimientos nutricionales y el medio ambiente de los lados activados. SUPLEMENTO NUTRICIONALES La composición de especies de Lodos Activados varían muy ampliamente y depende de muchos factores, el más importante de ellos es la naturaleza de los organismos, que alimenten o abastecen a los Lodos. No es sorprendente por eso encontrar que la composición elemental de los lodos varían ampliamente también. La información acerca de la composición de varios lodos activados desarrollados sobre desechos industriales sugieren una formula promedio empírica de: C118H170O51N17P Aunque los requerimientos nutricionales pueden ser estimados elementales elemental de Lodos Activados se ha encontrado que es más conveniente relacionar estos requerimientos a las DBO 5 a 20 ºC del desecho que alimenta a los Lodos. Para una adecuada cantidad de Nitrógeno y Fósforo, se requieren los siguientes valores: DBO para N = 32 por 1 DBO para P = 150 por 1

CONCENTRACIÓN DEL ION HIDRÓGENO (pH) El lodo activado condicionado no es tan afectado por el pH de un rango de 6 a 9. En ambos desechos ácidos y alcalinos, algo de Bióxido de Carbono involucrado en la respiración es convertido a iones bicarbonatos. Como resultado la mayoría de los sistemas activados llegan a ser tampones a un pH de 8. cuando el desecho es fuertemente ácido o alcalino, el pH deberá ajustarse a un valor más neutral con prioridad al tratamiento. TEMPERATURA La actividad biológica esta fuertemente influenciada por la temperatura. Para lodos activados la relación TEMPERATURARESPIRACIÓN en un rango de temperatura entre O y 25 ºC se ha encontrado que es: RT1 = e (T1-T2) RT2 Donde: RT1 y RT2 = Tasas de respiración a las temperaturas T 1 y T2 respectivamente. T1 y T2 = Temperatura.  = Constante.

LODOS ACTIVADOS PRINCIPIOS DE LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA Cuando un desagüe orgánico se pone en contacto con un ión lodo biológicamente activo, se produce la remoción del DBO del desagüe en diversas formas. Los sólidos suspendidos finamente divididos son removidos por absorción y coagulación. Una porción de la materia orgánica soluble es inicialmente removida por absorción y almacenada en las células bacteriales como una reserva alimenticia.

La materia orgánica disuelta restante es removida en forma progresiva durante el proceso de aeraciones, produciéndose la síntesis de lodo activado y la producción de agua y anhídrido carbónico. La rapidez de oxidación disminuye a medida que los compuestos orgánicos son más complejos. Partículas grandes y complejas se subdividen mediante un proceso de hidrólisis antes de que puedan ser oxidadas. La rapidez de remoción del DBO, luego de la absorción inicial depende principalmente de dos factores: a) La concentración de DBO a ser removido y b) La concentración de lodos activados. Las reacciones que se producen en la remoción de DBO en solución durante el proceso de oxidación biológica, pueden ser interpretados como un proceso de 3 fases: 1) Remoción inicial de DBO, mediante el contacto entre el desagüe y el lodo activo, el cual es almacenado en la célula bacterial como una fuente de reserva alimenticia. 2) Remoción del DBO, en proporción directa al crecimiento del lodo activo. 3) Oxidación de la materia biológica celular a través de la respiración endógena. Estas reacciones pueden ser presentadas por las siguientes ecuaciones bioquímicas: Oxidación de la materia orgánica: CxHyOz + O2 encima

CO2 + H2O - H.

(1)

Síntesis de la materia celular (CxHyOz) + NH3 + O2

encimas

Células + CO2 + H2O = H

(2)

Oxidación de la materia celular: (Células) + O2

encimas

CO2 + H2O + NH3 = H

H = representa el calor liberado durante la reacción.

(3)

La ecuación (1), es la ecuación convencional de la combustión. Si existe Nitrógeno, éste será convertido en Nitrato y de igual manera el Sulfuro en Sulfato. La ecuación (2), representa la síntesis del lodo o materia celular a partir de los sustratos orgánicos. La ecuación (3), representa la oxidación de la materia celular previamente sintetizada. PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS El proceso puede ser definido como un sistema en el cual, cultivos biológicos floculados son continuamente recirculados y puestos en contacto con la materia orgánica del desagüe, en presencia de oxigeno. El oxigeno es usualmente abastecido en formas de burbujas inyectadas dentro de la masa líquida bajo condiciones de turbulencia. DIAGRAMAS DE FLUJO INGRESO

SEDIMEN TADOR

AIREADOR

SALIDA (1) SISTEMA CONVENCIONAL

LODO RECIRCULADO

INGRESO

AIREADOR

SEDIMEN TADOR

SALIDA (2) ESTABILIZACIÓN POR CONTACTO

Estabilizador

LODO RECIRCULADO

INGRESO

AIREADOR

SEDIMEN TADOR

SALIDA (3) AIREACIÓN ESCALONADA

LODO RECIRCULADO

INVESTIGACIÓN DE LABORATORIO CON LODOS ACTIVADOS CINÉTICA DE UN PROCESO POR TANDAS (BATCH) En un proceso por grupos o tandas, la materia orgánica desechada, se pone en contacto con lodo activado en un recipiente airado que no tiene ingreso ni salida. Estos procesos son desarrollados en el laboratorio con el propósito de definir o derivar criterios en la que procesos de flujo continuo en una planta piloto a escala pueden ser diseñadas. Ellos proveen información relativa a las “tazas de remoción Orgánica”, “Demanda de Oxigeno”, “Producción de Lodos”, “Oxidación de Lodos”, y “Absorción Inicial”. REMOCIÓN ORGÁNICA POR ASIMILACIÓN Tazas bajas de materia orgánica con respectos de lodos activados, la remoción de materia orgánica de los desechos es una función de la intensidad de carga orgánica. c =  (i) (2) cO Donde: c = Concentración de materia orgánica en el tiempo t i = Intensidad de carga orgánica.  = operador. La intensidad de carga orgánica, en cada turno puede ser expresada como una función de la concentración de materia orgánica inicial; de la concentración inicial de lodo activado y el tiempo de contacto. c0 i = (3) sot Donde: so = Concentración inicial de lodo activado. t = Tiempo

La relación especifica entre la fracción removida de materia orgánica y la intensidad de carga para cualquier desecho particular puede establecida con los datos derivados del proceso por tandas. A menudo se ha encontrado que la relación se aproxima a: c = 1 – 10– mi

(4)

co Donde: m = Constante. En tales casos, el ploteado en papel semi-logarítmico entre 1(c/co) y i pueden ser utilizado para establecer el valor de m. 1-c 10

-mi

= co

mi = log 1 – c c0 Entonces i = log

1- c m c0

c0

c =

log

s0t

m

1c0

Para determinar la Producción de lodo se aplica lo siguiente: Para pequeños intervalos de tiempo la producción de lodos será: ds = a dc – bs dt dt ds = Tasa de crecimiento. dt dc = Tasa de cambio de concentración de la materia orgánica dt debido a la asimilación.

Expresión que para pequeños intervalos de tiempo puede ser escrita: s = a c – ab t t Donde: a y b son consonantes.  = concentración media de lodo. El incremento de la concentración de sólidos en el lodo sobre un intervalo de tiempo dado cuando es graficado o ploteado contra el decrecimiento en la concentración de materia orgánica en el sistema resulta una línea recta relacionada, similar a aquella de la figura 1-7.

Tasa de Crecimiento ds dt

Pendiente = a

ds dt

b

Taza de cambio en concentración de materia orgánica, dc/dt. Fig. 1-7: Relación entre Materia Asimilada y Crecimiento.

DEMANDA DE OXIGENO Como se ha indica en los procesos biológicos, una relación directa existe entre crecimiento y mantenimiento, oxidación biológica y utilización de materia orgánica. La corrección entre la demanda de oxigeno y la materia orgánica removida por asimilación ha sido encontrada que es: dcO2

dc =

dt

a’

+ b’ dt

y para intervalos cortos de tiempo la expresión es: cO2 = a’ c + b’ t t Donde: cO2 = Concentración de oxigeno disuelto y a’ y b’ = Constantes. Una gráfica o ploteado de (cO2/t) versus c/t originará una línea recta, la pendiente de esta es igual a a’ (ver la siguiente figura). El término b’ que es igual a la intercepción representa la demanda endógena por oxigeno. El valor de este término dividido por la concentración del Lodo Activado originará la demanda endógena por unidad de peso del lodo. Tasa de la Demanda De Oxigeno  cO2 t

Pendiente = a.

b’ Taza de cambio en la concentración de materia orgánica c/t. Fig.- 5: Correlación entre la Demanda de Oxigeno con la remoción de materia orgánica.

OXIDACIÓN DEL LODO. En ausencia de materia orgánica utilizable, una porción grande de la fracción de materia orgánica del lodo activado puede ser autooxidado por aireación prolongada, un proceso referido como oxidación de lodo. La Figura siguiente, se ilustra la reducción en la concentración de lodo activado como una función del tiempo. 80 Porcentaje de Reducción en la Concentración de Lodo Activado

60 -

40 -

20 -

2

4 6 8 Tiempo de Dirección en días

Fig. 2-6: Reducción de Concentración de un Lodo Activado Particular cuando es directo por varios días un Sistema que contiene Materia Orgánica no Metabolizable.

La taza de crecimiento a la que la concentración es reducida refleja el crecimiento de resistencia del lodo remante a la oxidación. Un estimado de los requerimientos de oxigeno para la oxidación de lodo puede ser hecha sobre la base de la ecuación CaHbNdPeSf + (a + 0.25b + 1.25e + 1.5f – 0.5c)O2 aCO 2 + (0.5b –  = 0.5d – 1.5e – f)H2O + dNO3 + ePO4 + fSO4 + (d + 3e + 2f)H+.

ADSORCIÓN INICIAL Cuando el lodo activado es contactado o puesto con contacto con un desecho en un sistema airado, allí se origina o hay una remoción inicial de materia orgánica, que es interpretado como un fenómeno de absorción. La remoción inicial es rápida, requiriendo entre 1 y 20 minutos, dependiendo del tipo de desecho. Como se puede esperar, en un proceso de absorción una parte de la fracción orgánica no es removida. La remoción inicial por concentración unitaria del lodo activado esta relacionada a la concentración de la porción removible de la materia orgánica y se expresa de la siguiente forma: dci = kici ds Donde: ki

(8)

= Constante de remoción inicial.

Integrando: ci

s0 dci = ci

cio

-ki ds 0

Ln ci = -kis o cio

(9)

Donde: ci = Concentración de la materia orgánica removible remanente. cio = Concentración de la materia orgánica removible presente al inicial. so = Concentración del lodo activo. Una gráfica o ploteado semi-logarítmica de la fracción de la materia orgánica removible que permanece contra o versus la

concentración inicial activado originara una línea recta, la pendiente de ella es igual a –0.434 ki. Ejemplo 1: Una prueba por tandas se desarrolló en el laboratorio para determinar la remoción de materia orgánica de un desecho a través del lodo activado. La concentración de materia orgánica en el desecho se midió con la prueba DQO y la concentración de lodo activado por determinación de sólidos volátiles. Los datos obtenidos de cuatro pruebas por tandas se presentan en las cinco primeras columnas de la tabla.

Prueba Nº

Tiempo de aireación. Horas t

Sólidos DQO Final Intensidad DQO Volátiles del de Carga Inicial del Inicial en Desecho Desecho el Lodo Activado mg/lt. mg/lt. mg/lt. co/sot. so

c/co

Remoción 1 - (c/co)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

1 2 3 4

2 4 6 8

1200 1200 1200 1200

2000 1800 1600 1400

720 456 384 336

0.300 0.167 0.125 0.107

0.6 0.38 0.32 0.28

0.40 0.62 0.68 0.72

De esta información calcularemos los valores de las constantes “m” aplicando la siguiente expresión: c = 1 - 10– mi co Para la solución: Calcular los valores para la intensidad de carga y la fracción removida de la materia orgánica (ver columnas 6, 7 y 8 de la tabla) y graficarla en un papel semi-logarítmico como se observa en la siguiente gráfica:

Remoción 1 - ( C/Co)

1.0 0.9 0.8 0.7

m = 1.33

0.6 0.5 0.4 0.3

0.2

0.1 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Intensidad de Carga i = Co/Sot

El valor de “m” se determina por la pendiente de la línea recta construida que más se acomoda a través de los puntos gráficos. Ese valor es 1.33 c = 1 – 10-mi

(1)

(4)

co (2) (3)

1 - c = 10–mi co c log 1 – = -mi co

(5)

log 1 – c + mi = 0 co

m = log [1 – c/co] i m = pendiente de la recta

Ejemplo 2: Una prueba por tandas se llevó a cabo en el laboratorio para determinar la producción de lodos activados cuando este último es utilizado para tratar un desecho (investigado en el ejemplo 1). Los datos obtenidos se registran en las primeras tres columnas de la tabla:

Aireación Tiempo t (hr)

DQO del desecho c(mg/lt)

Sólidos volátiles en el lodo activado s(mg/lt)

(1) 0 1 2 3 4 5

(2) 1200 940 720 540 430 360

(3) 2000 2068 2118 2163 2183 2196

c/t

s/t

(4)

(5)

260 220 180 110 70

68 50 45 20 13

Para esta información, determinar los valores de las constantes a y b en al ecuación siguiente: s c = a - abs t t Solución: La taza de cambio en la concentración de sólidos volátiles y la DQO es calculada para cada hora de tiempo de aireación (ver columnas 5 y 4 de la tabla). Los valores correspondientes son graficados (ploteados) sobre coordenadas asimétricas de la siguiente forma:

100 80

s t

60 40 20 0 0

50

100

150

200

c t

250

300

350

Fig. 2-8: Gráfica de la Tasa de cambio de la Concentración de Lodo Activado (sólido volátil) versus la Tasa de cambio para la DQO de la solución del ejemplo 2.

El valor de “a” es determinado por la pendiente de la línea recta que mejor se acomoda o construye a través de los puntos ploteados.

De la figura 2-8 se puede ver que cuando s/t es igual a 0, (cero) c/t = a 30. Este valor representa la taza de cambio en la concentración orgánica que es atribuida al requerimiento metabólico básico de los organismos del lodo activado. De los últimos valores registrados en las columnas 3 y 5 en la tabla, parece ser que cuando s/t = 0 , s igualara cerca de 2,200 mg/lt. De esa forma de la ecuación : Dc = bs dt b se obtiene que: bs = 30 y

b =

30 = 0.0136 2,200

MODELOS DE FLUJO CONTINUO La mayoría de los procesos de tratamiento químico y biológico utilizados por los ingenieros sanitarios están diseñados para que se lleven a cabo en un proceso continuo. Desde que tales procesos son dependientes del tiempo y el periodo de retención, la característica de la mezcla son de vital importancia a los ingenieros. Las características de mezcla actuales varían con el diseño del sistema y usualmente son muy complejas para describirlas en formas precisa matemáticamente. Por esta razón, se hacen uso de simples modelos de flujo para estimar esas características. Tres modelos básicos han sido definidos, cada uno en términos del comportamiento de los incrementos individuales de los materiales que ingresan.

MODELO I (Plug Flow) o Flujo Piston, se define como ese modelo en la que incrementos de materiales que ingresan con el influente pasan a través del sistema que es descargado en la misma secuencia que ingresan. Ninguna mezcla interna o acción interna o acción interna, se lleva a cabo; cada incremento esta en el sistema por un tiempo igual al tiempo de retención teórico. Este tipo de flujo podría ser aproximado en un tanque largo que tiene una sección transversal relativamente pequeña. MODELO II (Mezcla completa con intermezcla) Una completa mezcla con intermezcla es idéntica como el modelo en la que incrementos del influente se intermezcla inmediatamente con el contenido del recipiente y por eso pierde su identidad en cada aspecto. El fluido en el recipiente es completamente mezclado de tal manera que sus propiedades sean uniformes e idénticas con aquellos del efluente. MODELO III (Mezcla completa con cero intermezcla) Es una combinación de Flujo Pistón y el de mezcla completa con intermezcla. Una ves ingresado al sistema, los incrementos son dispersados uniformemente en todo el recipiente, pero no se intermezcla o interaccionan entre ellos. Los incrementos retienen su identidad individual y aparecen en el efluente como una función de su población estadística. CINÉTICA DE UN PROCESO DE MEZCLA COMPLETA Un proceso de mezcla completa difiere primordialmente de un proceso por tandas, debido a que hay un flujo que ingresa y sale del sistema; esto es el flujo continuo y bajo condiciones (steadystate) de cambio estable o estado estable, la concentración de materia orgánica y lodo activado en el sistema permanecen constantes. La taza de crecimiento del lodo activado en un sistema de mezcla completa puede ser descrita por la siguiente ecuación : ds = ks dt

Donde: s = Concentración de lodo activado. k = Taza de crecimiento específico. t = tiempo. En un sistema así, sin embargo, el lodo activado es descargado constantemente en el efluente del recipiente de mezcla. Ha sido demostrado que en un sistema que se lleva a cabo un modelo piloto de mezcla completa con cero de intermezcla, la fracción de las partículas que no reaccionan y que dejan el recipiente con el efluente es: F = 1 – e–t/to = 1 – e-(q/V)t

(2-10)

Donde: F = Fracción de partículas que han dejado el recipiente en un tiempo, t. t = Tiempo. to = Tiempo de retención nominal en el recipiente. q = Taza de flujo que ingresa y sale del recipiente. V = Volumen del recipiente. Para una suspensión de no-crecimiento de lodo activado, la concentración del lodo activado remanente en el recipiente en un tiempo t, puede ser determinado de: 1 – F = S = e–(q/v)t So F = 1 – e–(q/v)t

(2-11)

1 – 1 + e–(q/v)t = s so Donde: s = Concentración del lodo activado remanente en el recipiente en el tiempo, t. so = Concentración inicial de lodo activado en el recipiente.

Tomando la primera derivada de esta ecuación se obtiene una expresión para la taza instantánea ó taza de arrastre, en la que el lodo activado es descargado del recipiente. - ds = q s = Ds (2-12) dt V Donde D = Taza de dilución, es decir el número de cambio completo de volumen por unidad de tiempo. El lodo activado en el recipiente crece en una taza descrita por la ecuación ds/dt = ks , mientras que al mismo tiempo, ellos han sido lavados a una taza dada por la expresión: { - ds/dt = [q/V]s = Ds } Si la anotación W es usada para denotar la fracción de sólidos activados lavados, que son desechados o dispuestos o gastados y no regresan al sistema a través de un reciclaje, el cambio neto de la concentración de lodo es: ds = ks – WDs

(2-13)

dt La materia orgánica que ingresa al recipiente; alguna es asimilada por el lodo activado, y la diferencia es descargada en el efluente. El cambio neto en la materia orgánica en el recipiente puede ser expresado como: Cambio = Ingreso – Salida – Asimilación dc

(ds/dt + abs) = Dc0 - Dc -

dt __ dc = Dco – Dc dt

a ks + abs a

Donde: co = Concentración de materia orgánica en el efluente. c = Concentración de materia orgánica en el sistema y en la descarga. a y b = Constantes.

El término de asimilación es proporcionado por las siguientes ecuaciones: ks ds =

dc ;

ds

= a

dt

bs -

dt

dt

Cuando las condiciones son estables se tiene; ds

dc =

dt

=0

(2-15)

dt

y la ecuación : ds = ks – WDs sería:

k = WD

dc

(2-16)

Donde W es igual al % de lodo que no regresa. En un sistema en la que la concentración de materia orgánica es mantenida a un nivel constante, y la taza de materia orgánica a microorganismos es relativamente baja (como en el caso de un proceso de lodos activados), la taza específica de crecimiento variará con la concentración de materia en el sistema. c - cb k = km

(1-9) K + c – cb

Donde: km = Constante de taza de crecimiento. c = Concentración de materia orgánica en el sistema. cb = Concentración de materia orgánica mínima requerida para las funciones metabólicas básicas. K = Constante de saturación.

Combinando las ecuaciones (1-9) y (2-16) c - cb k = km

y

.

k = WD

K + C – Cb Resolviendo para un estado constante de concentración de materia orgánica en el sistema, quién, en un sistema de mezcla completa, es también la concentración en la descarga, se tiene:

WDK – WDcb + kmcb c* =

(2-17) km – WD

En un estado estable la ecuación (2-14) puede ser resuelta por la concentración de lodo activado en el sistema y de la misma manera en la descarga. dc

ks + abs = Dc0 - Dc -

dt Sabemos que:

a

dc

s( k + ab ) =0

;

Dc0 – Dc =

dt k = WD

a

Por lo tanto:

aD(c0 – cc) s = k + ab

s* = aD(co – c*) WD + ab

(2-18)

Las ecuaciones (2-17) y (2-18) pueden ser resueltas para una relación dada, tal como la presentada en la figura (2-12).

Concentración de Lodo Activado D(Co)1 (Co)1 Concentración de Lodo Activado S*

Concentración de Lodo Activado D(Co)2 Concentración de Lodo Activado D(Co)3

Concentración de Materia (Co)2 Orgánica C* (Co)3

Concentración de Materia Orgánica Tasa de Dilución, D Fig. 2-12: Relación de estado estable en un lodo activado mezclado completamente, mostrando los efectos de las tazas de dilución y concentración de materia orgánica en el influente, sobre la concentración de lodo activado y materia orgánica en el sistema y la descarga. Sin retorno del lodo (W = 1). Adaptado por el doctor Herbert, The Continuos Culture of Bacteria: A Theoretical and Experimental Steady.- J. Gen microbiol, 14 – 1956. 601-622.

Estas curvas muestran el efecto de la taza de dilución y concentración de materia orgánica en el influente sobre un estado estable de concentración de lodo activado y materia orgánica en el sistema y descarga. Se debe notar que para cada concentración de materia orgánica en el influente, co, hay una taza de dilución sobre la cual el lodo activado puede ser completamente arrastrado o lavado del sistema. Cuando la fracción de desecho del sistema es la unidad, esto es, cuando no-lodo, se retorna o devuelve. (D = coeficiente de dilución.) c0 - cb Dc = km (2-19) K + c o - cb Donde: Dc = Taza de dilución critica. Cuando hay retorno de lodo, el lavado ocurrirá cuando: WD > Dc (W = fracción de lodos activados lavados.)

(2-20)

También se notara que a cualquier taza de dilución dada debajo de la critica, la concentración de materia orgánica en la descarga, c, es independiente de la concentración de la materia orgánica en el influente, co. Para condiciones de estado estable la taza a la que la materia orgánica es asimilada por el lodo activado que debe ser usada para crecimiento y energía es: dc

WDK - WDcb + kmcb = D(co – c*) = D Co –

dt

(2.21) km - WD

Cuando D se incrementa de 0 a Dc, c* se incrementa de 0 a c o. Este valor es obtenido hallando o determinado la diferencial de la ecuación (2-21) con respecto a D e igualando a cero. Dm = -B  (B2 – 4AC)½ 2A

(2-22)

Donde: Dm = Taza de dilución que da taza máxima de materia orgánica removida. A = W2(K + co – cb)

(2-23)

B = -2Wkm(K + co – cb)

(2-24)

C = km2(co – cb)

(2-25)

La concentración de materia orgánica y lodo activado en el sistema y en la descarga cuando D = D m se pueden calcular con las ecuaciones (2-17) y (2-18).

BACTERIA

Para la población en general, las bacterias, son sinónimos de enfermedad, aunque solamente una relativa porción pequeña de ella, son patógenas para los humanos.

Hay una cierta preocupación, por que personas con compromisos inmunológicos pueden estar en un riesgo al exponerse de alguna otra forma a bacterias no dañinas sin la exposición es excesiva.

Ing. Otto Rosasco Gerkes

LAS BACTERIAS EN LAS AGUAS DE BEBIDA Y SUS IMPLICANCIAS CON LA SALUD

Niveles elevados de crecimiento microbial pueden afectar el sabor y el olor en las aguas de bebidas.

Niveles elevados de crecimiento microbial pueden indicar la presencia de nutrientes

Sin embargo, no hay una evidencia que muestren que un recrecimiento de bacterias no patógenas en aguas tratadas apropiadamente esté acompañada por un incremento de riesgo de enfermedades entre los consumidores. Ing. Otto Rosasco Gerkes