Inf. Residuales 3.docx

UNIVERSIDAD DE LA COSTA, CUC FACULTAD DE INGENIERÍA

TRANSFERENCIA DE OXIGENO. Jair Camacho, María Claudia Chamorro, Dayana Coronado, Wendy Marulanda, Laura Rolong Profesor Faisal Bernal Higuita. Grupo AD 29-08-2015 Laboratorio de Tratamiento de Agua Residual. Universidad de la costa, Barranquilla, Colombia.

RESUMEN El presente informe tuvo como objetivo determinar el coeficiente de transferencia de oxígeno y otros parámetros de importancia en el tratamiento aeróbico de aguas residuales. Esto lo haremos por medio de una desoxigenación y una oxigenación por medio de sulfito de sodio y un sistema de aireación, esto se hará tanto en el agua residual como en el agua potable para hacer una comparación de ella. Luego de la desoxigenación y la oxigenación se le toman los parámetros como el pH, el OD y la temperatura, luego de tener la OD y la temperatura cada cierto tiempo se le hacen los respectivos cálculos y se gráfica, comparando la gráfica de agua residuales y la de agua potable para así analizar las variaciones. PALABRAS CLAVE: desoxigenación, oxigenación, temperatura, OD, agua residual, agua potable, sistema de aireación.

Abstract This report aimed to determine the oxygen transfer coefficient and other parameters of importance in aerobic wastewater treatment . This will be done through a deoxygenation and oxygenation through sodium sulfite and an aeration system , this will be done both in the wastewater and drinking water to make a comparison of it. You will then deoxygenation and oxygenation take parameters such as pH , DO and temperature, after having the OD and temperature every so often will make such calculations and graph, comparing the graph of wastewater and the drinking water in order to analyze variations . KEY WORDS: deoxygenation , oxygen , temperature , DO, waste water , drinking water, aeration system.

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receptora la contamina. Las corrientes de aguas residuales no son uniformes ni permanentes, sino que varían de un momento a otro. En el momento de crear o analizar el funcionamiento de una planta de tratamiento de agua, es importante conocer los volúmenes de agua residual a tratar y sus posibles variaciones y características, razón por la cual es necesario realizar varios estudios para obtener esta información y buscar maneras para optimizar el proceso. (FAIR, 2000)

1. INTRODUCCIÓN La transferencia de oxigeno es un proceso de transferencia de masa de gas a líquido, que depende de la características del gas y del líquido, de la temperatura, del gradiente de concentración y del área de difusión. El oxígeno es poco soluble en el agua por esta razón de aumenta la transferencia de oxígeno. Este es un proceso comúnmente muy realizado para el tratamiento de aguas residuales con el fin de purificarla, por medio del aumento de oxígeno, reducción del contenido de dióxido de carbono y de compuestos orgánicos volátiles responsables de darle un olor y sabor desagradable.

Los constituyentes encontrados en las aguas residuales pueden ser clasificados como químicos, físicos y biológicos. Los principales contaminantes que deben de ser removidos de las aguas residuales son: residuos sólidos, DBO, DQO, acidez, alcalinidad, grasas, aceites, grasas animales, gases, solventes, nutrientes, metales pesados y compuestos orgánicos persistentes. Esta materia orgánica es el contaminante que se encuentra en mayor cantidad en las aguas residuales y está necesita de oxígeno, siendo por tanto un agente desoxigenado del agua cuando entran en descomposición, generando olores desagradables. (FAIR, 2000)

Entre los métodos utilizados para transferir oxígeno en procesos de tratamiento biológico se incluyen: difusores de aire comprimido, turbinas sumergidas, aireadores superficiales. Varias teorías han sido enunciadas para evaluar los mecanismos de transferencia de gases, como la teoría de la doble capa, el modelo de penetración de Hibbs y la teoría de renovación superficial de Danckwerts. El propósito del presente trabajo es determinar el coeficiente de transferencia de oxígeno en una planta de tratamiento de las aguas residuales, para realizar esto, es preciso determinar la demanda de oxígeno de los microorganismos, lo cual se realizó mediante un medidor de oxígeno disuelto, aplicándose aireación por diferentes períodos de tiempo, después del cual se interrumpió la misma y se midió la variación de la concentración de oxígeno disuelto con el tiempo.

En la literatura se encuentran diferentes expresiones de acuerdo con el tipo de sistema de aireación que se tenga, las cuales incluyen los coeficientes  y  para corrección de los cambios de agua limpia a agua residual, temperatura y presión. (FAIR, 2000) El coeficiente  ha sido definido como la relación entre el KLA del agua residual y el KLA del agua limpia.

2. Fundamento Teórico

Kla ( Agua residual )  = Kla ( Agua limpia )

Aguas residuales Las aguas residuales son todos los efluentes de agua provenientes de industrias, ciudades o de cualquier lugar en donde exista actividad humana; esta agua contiene compuestos que al llegar a la fuente

El valor de este coeficiente es menor de 1 y a medida que el agua es tratada se aproxima a 1. 2

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El coeficiente  relaciona la concentración de saturación de oxígeno del agua residual con la del agua limpia.

dentro del agua, pero el vencimiento de esta resistencia es la que genera la dispersión y la mezcla. (Menzella., 2010)

Cs ( Agua residual )  = Cs ( Agua limpia )

Los sistemas de aireación mecánica de alta velocidad, operan a la velocidad de giro de los motores eléctricos (900-1800 rpm), su funcionamiento es homólogo al de una bomba, en este caso bombeando hacia la atmosfera (aire la fase continua), se debe destacar que los sistemas de alta velocidad no tiene tan buena mezcla ni suspenden sólidos con tanta eficiencia como los sistemas de baja velocidad. (Castro, 2004)

La transferencia de oxígeno se requiere en diversas operaciones, por ejemplo: -

Durante un corto tiempo como pretratamiento para aumentar la eficacia de los tratamientos posteriores como oxidación biológica y sedimentación. La preaireación es particularmente útil en caso que el agua de entrada carezca de oxígeno disuelto y exista elevada concentración de sulfuros disueltos. - La flotación con aire es otra aplicación, y se usa para eliminar grasa, sólidos y concentrar fangos. En los procesos de tratamiento biológico el aire se utiliza con dos fines: primero suministrar el oxígeno metabólico necesario en el tratamiento de los organismos, y segundo procurar mezclado dentro de las cámaras. (FAIR, 2000)

Los difusores, de manera contraria tiene una fase continua líquida y una discontinua gaseosa, análogamente la capacidad de transferencia depende del tamaño de las burbujas de gas dentro del líquido, tiempo de retención (altura de la columna de líquido), capacidad de bombeo (masa de aire difundida dentro del líquido). (Menzella., 2010) Los sistemas híbridos pueden reunir características de los dos sistemas anteriores, están diseñados para maximizar ya sea transferencia o la mezcla u otras características, ofreciendo rendimientos muy altos para una característica específica, pero sacrificando otros aspectos. (Menzella., 2010)

En el campo de la ingeniería ambiental los sistemas de transferencia de oxigeno se pueden clasificar en tres tipos: Los sistemas mecánicos, dispersan el agua que es la fase discontinua y en el aire fase continua, la capacidad de transferencia en este caso está en función del tamaño de las gotas del líquido disperso, del tiempo de residencia (altura) y la capacidad de bombeo (masa de líquido dispersada por unidad de tiempo).

Oxígeno Disuelto El oxígeno es esencial para los lagos saludables. El nivel de Oxígeno Disuelto (OD) puede ser un indicador de cuán contaminada está el agua y cuán bien puede dar soporte esta agua a la vida vegetal y animal de un determinado ecosistema. Generalmente, un nivel más alto de oxígeno disuelto indica agua de mejor calidad. Si los niveles de oxígeno disuelto son demasiado bajos, algunos peces y otros organismos no pueden sobrevivir. (Moreno, 1998)

Los sistemas mecánicos se pueden ser, sistemas de aireación mecánica de baja velocidad, que están compuestos por un agitador, trabaja a baja velocidad de 20-100 rpm, su forma lo hace poco hidrodinámico teniendo alta resistencia a la rotación 3

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Los métodos biológicos aeróbicos manejan colonias microbianas y oxígeno molecular para descomponer las sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales. Los microbios se alimentan de sustancias biológicas indeseadas en el agua generando agregados o “flóculos” de sustancias orgánicas y microorganismos que se depositan en la base del contenedor. Este lodo es estable y puede eliminarse fácilmente. (YANEZ, 2011)

líquido, de la temperatura, del gradiente de concentración y del área de difusión. Fick define la ley de difusión de la siguiente forma: N = -DLA

dC dy

N = Masa transferida por unidad de tiempo A = Área transversal de difusión. dC/dy = gradiente de concentración, perpendicular al área transversal DL = Coeficiente de difusión.

La teoría de la doble capa es la interface entre el líquido (agua residual) y el gas (aire u oxígeno) se forma una película a través de la cual se transfiere el gas hacia el líquido por difusión molecular. La cantidad de gas transferido por unidad de tiempo (coeficiente de transferencia) es un valor constante a través de cada película y es dependiente del tipo de aireador y de la geometría del tanque de aireación. El concepto de la doble película esta originada para gases poco solubles como el oxígeno., la transferencia la gobierna la película liquida. (Rodriguez, 2011)

Con el concepto de la doble película desarrollada por Whitman-Lewis, para gases poco solubles como el oxígeno, la transferencia la gobierna la película líquida. La anterior ecuación puede ser expresada así: N = KLA(Cs – C) Cs = Concentraciones de saturación del gas en el líquido KL = DL/YL (YL = espesor de la capa líquida)

Entre los métodos utilizados para transferir oxígeno en procesos de tratamiento biológico se incluyen: difusores de aire comprimido, turbinas sumergidas, aireadores superficiales. Varias teorías han sido enunciadas para evaluar los mecanismos de transferencia de gases.

Expresando esto en términos de concentración, tenemos: dC N A = = KL (Cs – C) = KLA (Cs – C) V V dt

Como la determinación de la superficie de aireación se hace difícil se utiliza el parámetro global KL.

a. Teoría de la doble capa b. Modelo de penetración de Hibbs c. Teoría de renovación superficial de Danckwerts

dC = KLAdt (Cs  C )

La teoría de la doble capa es la más sencilla y es aún muy popular, porque para efectos prácticos da resultados muy aproximados a los de las otras dos teorías. En esta práctica se analiza la transferencia de oxígeno al agua por medio de aireación, el cual es un proceso de transferencia de masa de gas a líquido, que depende de las características del gas y del

Si esto se gráfica en papel semilogarítmico obtenemos una recta y el valor de KLa puede ser calculado así: KLa = pendiente * 2.3 * 60 min./hora

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Estos coeficientes pueden ser estimados por medio de un ensayo de laboratorio muy sencillo.

El coeficiente de transferencia KLa es propio de cada sistema de aireación y por lo tanto es afectado por cambios en las características físicas y químicas del mismo.

3. METODOLOGIA. Se adaptó con las formas de operación del análisis de transferencia de oxígeno. Se colocó en la unidad de aireación un volumen definido de agua limpia.

Log (Cs – C)

Se desoxigeno el agua con sulfito de sodio en una dosis de 8 – 12 mg/l por cada mg/l de oxígeno presente en el agua. Para acelerar la reacción se usa como catalizador cloruro de cobalto en una concentración de 5 mg/l. Agite hasta obtener una concentración de oxígeno igual a 0.

T (min)

La capacidad de aireación de un equipo es reportada por el fabricante en condiciones normales de temperatura y presión, es decir los equipos son calibrados a 20`C (algunas veces 10`C) a nivel del mar, con agua limpia y una concentración inicial de oxígeno de cero. Los equipos operan con agua residual y las condiciones de temperatura y presión pueden ser muy diferentes. La capacidad de oxigenación a las condiciones de operación se calcula con ecuaciones que tienen en cuenta estos factores. En la literatura se encuentran diferentes expresiones de acuerdo con el tipo de sistema de aireación que se tenga, las cuales incluyen los coeficientes  y  para corrección de los cambios de agua limpia a agua residual, temperatura y presión. El coeficiente  ha sido definido como la relación entre el KLA del agua residual y el KLA del agua limpia. =

Se comenzó la aireación a la tasa de operación deseada. Medimos la concentración de oxígeno cada minuto inicialmente, luego las lecturas se pueden espaciar más, cuando la velocidad de cambio en la concentración disminuye. Se continúa las lecturas hasta obtener el 90% de la concentración de saturación. La concentración de saturación puede ser estimada por medio de la tabla, con el valor de la temperatura del agua analizada. Usando el mismo volumen de una muestra de agua residual a la misma temperatura, se repitió el proceso de desoxigenación y oxigenación.

Kla ( Agua residual ) Kla ( Agua limpia )

Se puede repetir el experimento para diferentes intensidades de mezcla. La intensidad de mezcla se puede establecer variando el flujo de aire o la velocidad de rotación del artefacto de aireación.

El valor de este coeficiente es menor de 1 y a medida que el agua es tratada se aproxima a 1.

-

El coeficiente  relaciona la concentración de saturación de oxígeno del agua residual con la del agua limpia. =

Cs ( Agua residual ) Cs ( Agua limpia ) 5

Se satura las muestras de agua de grifo y agua residual burbujeando aire durante 15 – 20 minutos. Es conveniente determinar cuidadosamente la concentración de saturación del agua residual porque generalmente difiere de la del agua de grifo.

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-

b) Consulte sobre la utilidad de los coeficientes 

También es importante que las dos pruebas se realicen a la misma temperatura.

y . Cuando se suministra oxígeno para los tratamientos biológicos aerobios, es necesario definir los factores de corrección que relacionan la transferencia de oxigeno con la naturaleza del residuo tratado.

4. CÁLCULOS 5. CUESTIONARIO. a) Cuál es el efecto de los cambios en las condiciones físicas ( Ej: temperatura, agitación, etc.) sobre el coeficiente KLA

 Actúa como un factor de corrección que relaciona el coeficiente KLa de las aguas residuales con el del agua potable.

El Kla se puede ver afectado por condiciones físicas, debido a que el OD depende de ellas, por ejemplo la temperatura puede hacer que el O2 se concentre o escape del cuerpo de agua, en altas temperaturas el Oxigeno se transfiere al aire, mientras que en temperaturas mínimas se concentra en un punto, la agitación define la dispersión, y homogenización de la concentración del O2 en el sistema, lo que hace que este no se acumule en un solo punto, de esta manera el Kla puede presentar variaciones.

Y  relaciona la concentración de saturación de oxígeno del agua residual con la del agua limpia. 6. CONCLUSION Con la finalización de este informe llegamos a las siguientes conclusiones:

-

Se observa que KLa aumenta con la temperatura, las concentraciones de oxígeno disuelto disminuyen. Eckenfelder propuso las siguientes ecuaciones para tener en cuenta el efecto de la temperatura: 𝐊𝐋𝐚 = (𝐊𝐋𝐚)𝟐𝟎º𝐂 𝐱 𝛉

𝐓−𝟐𝟎

Donde θ es un coeficiente sin dimensión cuyos valores varían entre 1,016 y 1,037. (YANEZ, 2011) Puesto que KLa incluye tanto el coeficiente de la película liquida KL y A/V se deduce que el grado de turbulencia o mezcla tiene influencia en la transferencia de oxígeno. La velocidad de transferencia es proporcional al coeficiente KLa, por lo tanto, al disminuir el espesor de la película, se incrementa el KLa y, consecuentemente, la velocidad de transferencia. Esto se logra aumentando la turbulencia en el líquido. (Universidad Autónoma Metropolitana & RODRIGUEZ, M., 2005)

Se logró determinar el coeficiente de transferencia de oxígeno y otros parámetros del agua los cuales son esenciales a tener en cuenta para cualquier tratamiento y en este caso el tratamiento aeróbico de aguas residuales, gracias a instrumentos que se encargan de medir estos parámetros. Identificamos los tipos de relaciones que tienen el oxígeno disuelto y la temperatura, pudimos concluir que, depende totalmente de este aspecto importante que es la temperatura, cada organismo en el agua depende de varios parámetros y entre estos, está la temperatura, a temperaturas muy altas, es decir, demasiado caliente, no habrá suficiente oxígeno disuelto en el agua.

7. BIBLIOGRAFIA APHA, AWWA, APCF. Métodos normalizados para análisis de agua y aguas residuales. 17 edición. American Public Health Association Inc. New York, 1992. METCALF & EDDY.Ingeniería de aguas residuales. Volumen I Editorial Mc Graw Hill. España, 1995. 6

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Rodriguez, P. (2011). Oxigeno Disuelto en aguas. Obtenido de https://puraquimica.files.wordpress.com/2011/ 07/prc3a1ctica-6-qg-oxc3adgeno-disuelto.pdf

Castro, M. (2004). Sistemas de aireación. Obtenido de http://www.serquimsa.com/sistemas-deaireacion-en-tratamiento-de-agua-residualindustrial/

Universidad Autónoma Metropolitana & RODRIGUEZ, M. (2005). Tratamiento de aguas residuales: Aireación en sistemas de aguas residuales. . Ed Reverté. SBN 968-6708-57.

FAIR, G. &. (2000). Purificación de aguas y tratamiento y remoción de aguas residuales. México. pp 729. Menzella., H. (2010). Procesos biotecnológicos. Obtenido de http://www.academia.edu/5114833/Procesos_ Biotecnol%C3%B3gicos_II_Clase_8_Transferenci a_de_Ox%C3%ADgeno

YANEZ, F. (2011). Transferencia de oxígeno y aireación. . Obtenido de Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Pp 6.: http://www.bvsde.opsoms.org/bvsacd/scan2/05862/05862-11.pdf

Moreno, A. (1998). Principios de Ingeniería de los Bioprocesos. Obtenido de https://procesosbio.wikispaces.com/Teor%C3% ADa+de+la+pel%C3%ADcula

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