INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LA MONTAÑA INGENIERÍA AMBIENTAL FUNDAMENTOS DE AGUAS RESIDUALES
DISEÑO Y ELABORACIÓN DE UN BIORREACTOR ING.LETICIA ANGÉLICA FLORES PÉREZ
INTEGRANTES: MARIA LUISA BASURTO RAMÍREZ NADIA ASTRID SÁNCHEZ ORTEGA DULCE POLICAO PINZÓN OLIVERIA MARCOS CHINO AIDA MARTINEZ DE JESUS CELIA MELO MARTÍNEZ ALICIA HERRERA CEBALLOS BLANDINA RODRIGUEZ MARTINEZ YANET GALINDO CANDIA MIGUEL JOSUÉ RAMIREZ CID GUSTAVO PABLO TEPEC ESTEBAN REYES FLORES ÁNGEL CASTRO GARCIA TOMAS PEREZ FLORES JESUS GONZÁLEZ ENCARNACIÓN DARWIN DE LA CRUZ MARTINEZ ARISTEO DE LA CRUZ PINZÓN CARMELA MARTINEZ TAPIA TLAPA DE COMONFORT, GUERRERO A 16 DE MARZO DE 2015.
0
ÍNDICE Introducción…………………………………………………...……………2
Objetivos generales.............................................................................3
Objetivos Específicos………………………………………...…….3
Planteamiento del problema……………………………………………..4 Justificación……………………………………………………………...…5 Hipótesis…………………………………………………………………….6
Marco teórico…………………………………………………………...…..7 × CAPITULO I.- El reactor de tanque agitado continuo………... 7 × CAPITULO II.- Consideraciones previas para el modelado ….8 Material y métodos…………………………………………………….…11
Anexos................................................................................................13 Bibliografía……………………………………………………………...…15
1
INTRODUCCIÓN Un biorreactor es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial. Es un recipiente donde se realiza el cultivo, su diseño debe asegurar un ambiente uniforme y adecuado para la reproducción y el hábitat de los microorganismos. Las tareas que debe desempeñar el biorreactor, se resumen en: 1.- Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación. 2.- Mantener constante la temperatura. 3.- Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. 4.- Suministrar oxigeno a una velocidad tal, que satisfaga el consumo. 5.- El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado. Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor esté provisto de un sistema de agitación, a demás para el punto (4) se requiere de un sistema que inyecte aire en el cultivo. 1
1
Proyecto de un biorreactor, consultado en: https://prezi.com/ug3unzcduzvn/proyecto-biorreactores/. 28/03/2015.
2
OBJETIVOS GENERALES
Diseñar un biorreactor de acuerdo a las caracteristicas que conlleva para su elaboracion con condiciones adecuadas para su funcionamiento.
Diseñar y construir un biorreactor para obtener los lodos activados del agua residual domestica.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Aportar el desarrollo de un proyecto que ayude a la automatización de los procesos llevados acabo en este biorreactor.
Promover una fuente de conocimiento practico para futuros aprendices de ingenieros ambientales.
Identificar y describir las partes accesorias, al igual que la forma como se operan, controlan, esterilizan, cargan y descargan, etcétera.
Lograr una buena agitacion
Lograr revoluciones por minuto de 65 como máximo
Que los lodos sean aereados y mezclados completamente
Que el tanque mantenga una concentracion de microorganismos
Que los lodos en exceso sean tratados y eliminados
3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La presencia de nutrientes en aguas residuales domésticas (ARD) puede constituir un problema no siempre de fácil solución. En términos generales la mayor parte de los componentes presentes en una ARD son materia orgánica e inorgánica, nutrientes y microorganismos; con relación a los nutrientes nitrógeno y fósforo, se destaca el problema de la eutrofización que puede causar daños al cuerpo receptor, pudiéndose
enumerar:
problemas
estéticos
y
recreacionales,
condiciones
anaeróbicas en el fondo, eventual mortalidad de peces, mayor dificultad y elevación de los costos de tratamiento de aguas de consumo, problemas con el abastecimiento de aguas industriales, modificaciones en la calidad y cantidad de peces de valor comercial, reducción en la navegación y capacidad de transporte, consumo de oxígeno disuelto, entre otros. En función de esto se hace necesario que sean investigadas tecnologías de acondicionamiento de aguas residuales, económicas y sustentables, que a diferencia de las estaciones de tratamiento convencionales centradas solo en la eliminación de materia orgánica y organismos patógenos incluyan la remoción de nutrientes. Por lo tanto, la atención en los últimos años se ha enfocado hacia el desarrollo de sistemas de depuración más efectivos, siendo en la práctica incluidos procesos terciarios a las estaciones de tratamiento y/o implementación de procesos continuos con eliminación de carga orgánica y nutrientes.
4
JUSTIFICACIÓN Como una alternativa a estos sistemas de tipo continuo se ha utilizado sistemas de tratamiento biológico de lodos activados de flujo discontinuo, donde las fases de reacción y decantación se realizan en un solo tanque llamado Reactor Biológico Secuencial (RBS), eliminando de esta forma la necesidad de decantadores y de instalaciones de recirculación de lodo. En un RBS las fases de tratamiento del agua residual se producen a lo largo de un período de tiempo definido llamado ciclo, que una vez finalizado se vuelve a repetir de manera sistemática. Cada ciclo comprende una serie de fases que se suceden en el tiempo, según las características del tratamiento. Entre las ventajas que proporcionan los RBS se destacan: flexibilidad para adaptarse a las características del agua residual afluente, como las fluctuaciones de caudal, permitiendo ajustar la duración de los ciclos; reducción de los costos en relación a procesos continuos, ocupan poco espacio físico y posibilidad de remoción conjunta de materia orgánica y nutrientes en un único ciclo de operación. Teniendo en cuenta lo expuesto se desarrollo esta investigación con el objetivo de estudiar la aplicabilidad de un RBS en la eliminación de nutrientes y materia orgánica de un agua residual doméstica, determinando la influencia de la variación del tiempo de duración de las fases que conforman los ciclos de tratamiento y de la edad de lodo en dichos procesos.
5
HIPÓTESIS Mediante el diseño y la elaboración de un biorreactor se busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas las condiciones para los microorganismos que se desean tratar en el biorreactor.
6
MARCO TEÓRICO CAPITULO I.- EL REACTOR DE TANQUE AGITADO CONTINUO El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa.
El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos.
Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perf a, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor.
En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B. Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:
Las pérdidas de calor circundantes son despreciables
Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes
Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presión y temperatura son iguales en cualquier punto del tanque
7
Temperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enf ento y/o calentamiento)
Volúmenes Constantes V, Vc
Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado (CSTR) se operan cerca de puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una producción óptima del proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede ser muy sensible a cambios de carga (cambios en las condiciones de alimentación). Debido a que los CSTR son comúnmente la parte central de un proceso químico completo, el control de la operación del CSTR ha sido uno de los problemas más importantes en la industria química.
La regulación de temperatura es la operación de control más sencilla de los CSTR. La mayoría de controladores de temperatura en la industria química son controladores PI clásicos. Existen muchas razones para esto, incluyendo sus antecedentes de operación probada, el hecho que se entra de bien el funcionamiento por parte de los técnicos, operadores industriales y personal de mantenimiento. Además, en muchas aplicaciones, el hecho que un controlador PI diseñado adecuadamente y bien sintonizado logre o excede los objetivos de control.
CAPITULO II.- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL MODELADO Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de nuestro estudio debemos tener las siguientes consideraciones:
Las pérdidas de calor circundantes son despreciables
Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de los reactantes y los productos son ambos iguales y onstantes
Mezcla perfecta en el Reactor
Temperaturas Uniformes en ambas Cámaras 8
Volúmenes Constantes V, Vc
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones definamos las variables y los parámetros para nuestra planta o proceso.
Variables independientes (variables de entrada): - Flujo del Producto A: f (t) - Flujo del Líquido Refrigerante: fc (t)
Variables dependientes (variables de salida): - Concentración del Producto Sobrante A: cA (t) - Temperatura en el Reactor: T (t) - Temperatura del Líquido Refrigerante: Tc (t)
Perturbaciones medibles: - Concentración del producto A en la entrada del Reactor cAi (t) - Temperatura de Entrada del producto A: Ti (t) - Temperatura del Líquido Refrigerante a la Entrada: Tci (t)
Parámetros del proceso
9
10
MATERIAL Y MÉTODOS
Para la elaboración de esta investigación se empleó un RBS a escala piloto para tratar agua residual doméstica proveniente de la zona norte de la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia (Venezuela). El sistema de tratamiento mostrado en la figura 1, se encontraba conformado por un tanque reactor en forma cilíndrica de 72 cm de altura, diámetro variable y capacidad de 120 litros; arreglo de válvulas de compuerta dispuestas a diferentes alturas del tanque reactor con la finalidad de descargar el agua tratada; tres bombas de dos salidas con sus respectivos difusores para el suministro de oxígeno en la etapa de aeración; mezclador de acero con eje de rotación de 50 cm provisto de una hélice de dos hojas de aluminio y conectado a un motor de 40-45 rpm. El lodo utilizado para dar partida al sistema fue obtenido de una estación de tratamiento de aguas residuales domésticas ubicada en el Municipio Miranda de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo (Venezuela), el cual se aclimató a las condiciones del sistema estudiado a través de ciclos continuos de carga y descarga de agua residual al reactor conformado por etapas de aireación, mezclado, reposo y purga, con el propósito de estabilizar y aclimatar el lodo, este período se prolongo por un mes considerándose completamente adaptada la biomasa cuando se logró mantener. La concentración de los sólidos suspendidos volátiles (SSV) en aproximadamente 2000 mg/l, para un volumen de licor mixto de 100 litros. En cuanto al proceso de tratamiento en el RBS estuvo constituido por las etapas de: llenado o alimentación, anaerobia, aerobia, anóxica, sedimentación y vaciado (figura 1). El estudio fue dividido en cuatro fases en las que se modificó la carga orgánica y la duración de las etapas anaerobia, aerobia y anoxica, con el objetivo de evaluar la eficiencia del sistema en la remoción de materia orgá- nica y nutrientes considerando edades de lodo de 10 y 7,5 días. Durante las Fases I y II se operó el sistema con bajos valores de carga másica, de 0,364 y 0,220 kg.DQO/kg.SSV.dia, mientras que durante las Fases III y IV se emplearon cargas mayores, de 0,665 y 0,737 kg.DQO/kg.SSV.dia respectivamente. En la tabla 1 se describe la duración de estas etapas y el número 11
de ciclos de tratamiento para cada una de las fases consideradas. Los análisis para la caracterización del agua residual y durante las distintas etapas del proceso tratamiento descritos en la tabla 2 se realizaron de acuerdo a la metodología descrita por el Standard Methods of Water and Wastewater [APHA, AWWA, WEF, 2005].
NOTA: Este biorreactor presentara cambios puesto que el presupuesto económico no alcanza buscando otro tipo de materiales mas accesibles. El fundamento teorico será el mismo solo cambiaran los materiales que se utilizaran.
12
ANEXOS
Diseño del biorreactor que se estaba realizando.
13
Fig. 1,2,3 : Limpieza y corte del biorreactor (recipiente de metal que anteriormente era un soplador).
Fig. 4 : Equipo de trabajo explicando el diseño de biorreactor a quienes prestaran material de soldadura.
Fig. 5: Medición de la flecha que contendrá las aspas del biorreactor.
14
BIBLIOGRAFÍA
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf http://www.fbioyf.unr.edu.ar/evirtual/pluginfile.php/108596/mod_resource/co ntent/0/Clase%206%20.pdf
http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=169818107002
http://www.redalyc.org/pdf/620/62060105.pdf
http://www.criba.edu.ar/cinetica/reactores/CAPITULO%208.pdf
http://biologia.laguia2000.com/biotecnologia/que-es-un-biorreactor
http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/fbiorects.pdf
15