TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Procesos biol

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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESProcesos
biológicos
Tema 5
Tecnología del Medio Ambiente 4º Ingeniería
Química
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Procesos biológicos

• Se llevan a cabo por medio de organismos vivos.
• Son más complejos que los procesos
  físico-químicos
• Los principales objetivos a alcanzar son
• Eliminación de materia orgánica carbonosa
• Reducción del contenido en nutrientes
• Eliminación de sólidos suspendidos (coagulación)
• Estabilización de la materia orgánica

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Mecanismos de eliminación

• Los mecanismos mediante los que se eliminan
  compuestos orgánicos en procesos biológicos son
• Adsorción. Adsorción limitada de materia orgánica
  no biodegradable sobre sólidos orgánicos. La
  adsorción de compuestos tóxicos sobre biomasa no
  parece ser importante, aunque si lo es la
  adsorción sobre sólidos en suspensión. Esto puede
  generar problemas de manejo de lodos.
• Desorción. Los compuestos orgánicos volátiles
  pueden desorberse por la agitación generada.
  Puede causar problemas de contaminación
  atmosférica
• Biodegradación. Principal mecanismo de
  eliminación de materia orgánica para la mayor
  parte de aguas residuales. Para aguas residuales
  industriales debe producirse una aclimatación de
  los microorganismos al sustrato

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Biodegradación

• La eliminación de DBO ocurre en dos etapas. Una
  elevada y rápida eliminación inicial de materia
  suspendida, coloidal y soluble, seguida de una
  eliminación más lenta de la DBO soluble
  remanente. La eliminación inicial puede
  producirse por
• Eliminación de materia suspendida por
  atrapamiento dentro de flóculo biológico.
  Mecanismo rápido que depende de a agitación
• Eliminación de materia coloidal por adsorción
  físico-química en el flóculo biológico
• Adsorción biológica de la materia orgánica
  soluble. Puede ser un proceso enzimático o
  superficial.

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(No Transcript)
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Procesos biológicos

• Aerobios (O2 aceptor de electrones)
• Anóxicos (NO3- aceptor de electrones)
• Sulfato reducción (SO42- )
• Anaerobios
• Microaerofílicos
• Facultativos
• Microorganismos en suspensión
• Microorganismos adheridos

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Cinética microbiana. Utilización de sustratos

• Sustratos solubles
• rsuvelocidad de consumo de sustrato, g/m3d
• k máxima velocidad específica de consumo de
  sustrato, g sust/g micro. d
• X Concentración de biomasa activa, g/m3
• S Concentración de sustrato limitante en
  disolución, g/m3
• Ks Constante de velocidad mitad, g/m3

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Cinética microbiana. Utilización de sustratos
El máximo consumo de sustrato coincide con el
crecimiento de los microorganismos a su máxima
velocidad
mm máxima velocidad específica de crecimiento
de bacterias, g nuevas células/g células. d Y
Rendimiento celular, g biomasa producida/g
sustrato utilizado
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Otras expresiones cinéticas para sustratos
solubles
La expresión depende de los datos cinéticos
disponibles y de la aplicación del modelo cinético
Crecimiento de biomasa sobre sustratos solubles
rg velocidad de producción neta de biomasa, g
SSV/m3d
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Cinética microbiana. Utilización de sustratos

• Materia orgánica particulada

rsc,Pvelocidad de consumo de sustrato
particulado debido a su conversión en soluble,
g/m3d kp máxima velocidad específica de
conversión de partículas, g P/g X. d X
Concentración de biomasa activa, g/m3 P
Concentración de sustrato particulado, g/m3 KX
Coeficiente de degradación mitad, g/m3
Efecto de la temperatura
q en sistemas biológicos varía entre 1,02 y 1,25
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Sólidos Suspendidos Volátiles y Biomasa Activa
X representa la concentración de biomasa activa,
pero los SSV contienen - biomasa activa -
residuo celular tras la respiración endógena -
SSV no biodegradable en la alimentación
Durante la muerte celular se libera materia
orgánica al medio. Parte de la masa celular
permanece como materia volátil no biodegradable
rXd velocidad de producción de residuo celular,
g SSV/m3d fd Fracción de la biomasa que
permanece como residuo, 0,10-0,15 g SSV/g SSV
La fracción de SSV no biodegradables procedentes
de la muerte celular es normalmente pequeña
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Sólidos Suspendidos Volátiles y Biomasa Activa
Sólidos Suspendidos Volátiles
rXt,VSS velocidad total de producción de SSV, g
SSV/m3d X0,i Concentración de SSV no
biodegradables en la alimentación g /m3
Biomasa activa
FX,act fracción activa de la biomasa en los
SSV, g /g
Rendimiento neto de la biomasa
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Sólidos Suspendidos Totales
rXt,TSS velocidad total de producción de SST, g
SSV/m3d SST,i Concentración de SST en la
alimentación g /m3 SSV,i Concentración de SSV
en la alimentación g /m3
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Proceso con biomasa suspendida
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Proceso con biomasa suspendida
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Balance a la biomasa
Asumiendo condiciones estacionarias y que X0 0
Se define
Reordenando
U velocidad específica de utilización de
sustrato, g DQO/g SSV d
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Balance al sustrato
Asumiendo condiciones estacionarias y resolviendo
Si no se produce recirculación de lodos
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Concentración en el licor mezcla
Producción de lodo
Producción de lodo
A B C Biomasa
heterótrofa Residuo celular SSV no bio
influente
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Si no existen SSV no biodegradables en la
alimentación
Rendimiento de SSV observado
Requerimientos de oxígeno
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Parámetros de operación y diseño
Relación alimento/microorganismo
Velocidad específica de utilización del sustrato
E eficacia en eliminación de DQO
U puede calcularse como el cociente de rsu y X
Operando
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Parámetros de operación y diseño
Velocidad de carga orgánica volumétrica
Lorg carga orgánica volumétrica, kg DQO/m3d
Existe un valor de SRT por debajo del cual no se
produce la estabilización del residuo
En muchas situaciones S0 es mucho más grande que
KS
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Procesos aerobios. Biomasa suspendida
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Ciclo del Nitrógeno
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Nitrificación biológica

• Proceso aerobio
• Bacterias autótrofas
• Proceso en dos etapas
• Competencia con las bacterias heterótrofas

Crecimiento celular
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Nitrificación biológica

• Cinética de crecimiento

mn velocidad específica de crecimiento de
bacterias nitrificantes, g nuevas células/g
células d N Concentración de nitrógeno g /m3
Kn Constante mitad para la nitrificación Kdn
coeficiente de muerte endógena para
nitrificantes, g SSV/g SSV d
Teniendo en cuenta la influencia de la
concentración de oxígeno
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Nitrificación biológica

• Factores ambientales

pH (7,5-8,0) Temperatura Concentración de
oxígeno Materia orgánica Metales Amonio no
ionizado
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Desnitrificación biológica

• Proceso anóxico
• Bacterias heterótrofas
• Proceso en dos etapas
• Competencia con la oxidación aerobia

Producción de 3,57 g alcalinidad/g
N-NO3- Equivalencia en oxígeno 2,86 g O2/ g N-NO3-
Crecimiento celular
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Desnitrificación biológica

• Cinética de crecimiento

h fracción de bacterias desnitrificantes en la
biomasa, g SSV/g SSV (varía entre 0,2 y 0,8) Se
suele emplear el mismo valor de k que para la
oxidación con oxígeno, incorporando los efectos
de reducción de la velocidad en el factor h. El
valor de Ks es similar al de la oxidación con
oxígeno.
Teniendo en cuenta la influencia de la
concentración de oxígeno
Ko coeficiente de inhibición por OD para la
desnitrificación, mg/L (0,1 - 0,2) Ks, NO3
Coeficiente mitad para el nitrato, mg/L (0,1)
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Nitrificación-Desnitrificación

• Necesidad de combinación de zonas, espaciales o
  temporales, aerobias y anóxicas
• Microorganismos autótrofos y heterótrofos
• Necesidad de aporte de materia orgánica o
  recirculaciones internas.

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Eliminación biológica de fósforo

• Acumulación de fósforo por los microorganismos en
  cantidades superiores a las necesarias para su
  metabolismo
• Condiciones anaerobias
• Las bacterias acumuladoras de P (PAO) asimilan
  productos de fermentación (AGV) en las células,
  acumulando PHB y liberando fósforo procedente de
  los polifosfatos acumulados.
• Se emplea la energía acumulada en los
  polifosfatos
• Condiciones aerobias
• El PHB almacenado sirve como fuente de energía
  para el crecimiento de las células
• Parte de la energía liberada se emplea en
  almacenar polifosfato en la célula
• Parte del polifosfato almacenado se elimina del
  sistema con la purga de fango

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PROCESOS ANAEROBIOS

• Degradación de materia orgánica en ausencia de
  oxígeno
• M.O. CO2 CH4
• Sulfato se reduce a sulfuro
• Aplicación en aguas residuales con alta carga y/o
  alto contenido en sólidos

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ESQUEMA DEL PROCESO ANAEROBIO
SO4 ? S NKT ? NH3
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ENERGÉTICA
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COMPARACIÓN ANAEROBIO/AEROBIO ENERGÉTICA
CH3COOH 2 O2 ? 2 CO2 2 H2O ( ENERGÍA)
CH3COOH ? CO2 CH4
2 O2
CO2 2 H2O ENERGÍA
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PARÁMETROS DE OPERACIÓN

• INÓCULO INICIAL. FASE DE ARRANQUE.
• Grado de mezcla
• Temperatura.
• Nutrientes.
• Compuestos tóxicos.
• pH.
• Alcalinidad.
• Concentración Acidos Grasos Volatiles (AGV).
• Relación AGV/Alcalinidad
• Producción de biogás. (Caudal y composición)
• Actividad de los microorganismos.
• Evolución de los microorganismos.

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TEMPERATURA

• PSICRÓFILA lt 15ºC
• MESÓFILA 15 lt T lt 45ºC
• TERMÓFILA 50 lt T lt 65ºC
• TEMPERATURA lt----gt BALANCE DE ENERGÍA

NUTRIENTES

• AEROBIO C/N/P 100/5/1
• ANAEROBIO 100/0,5/0,1
• MICRONUTRIENTES
• Fe, Ni, Co, Mo

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pH

• Intervalo óptimo 6,8-7,5
• Intervalo posible 6,0-8,0
• Las bacterias fermentativas son menos
  susceptibles a cambios de pH
• Parámetro fácil de controlar

ALCALINIDAD
Parámetro de control junto con pH y
AGV Directamente relacionada con el pH Sistema
tampón CO2/Bicarbonato Relación pCO2,
alcalinidad, pH
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PRODUCCIÓN DE BIOGAS

• Cantidad y composición del gas depende de
• - Estado de oxidación de los compuestos
• - Cantidad alimentada
• Hidratos de carbono 0,42-0,47 m3 CH4/kg
• Proteinas 0,45-0,55 m3 CH4/kg
• Grasas 1 m3 CH4/kg
• 0,35 m3 CH4/kg DQO

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TIPOS DE REACTORES ANAEROBIOS

• Las tecnologías se basan en la retención de los
  microorganismos
• -Separación externa y recirculación
• - Sedimentación interna
• - Inmovilización sobre superficies sólidas

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TIPOS DE REACTORES ANAEROBIOS
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BASES DE DISEÑO

• Modelos cinéticos
• Modelos empíricos

- Carga orgánica (S0) - Velocidad de carga
orgánica (Bv) - Tiempo hidráulico de residencia
(t) - Caudal (Q) - Volumen del reactor (V) V Q
. t t S0/Bv
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PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS Y NUTRIENTES
N-NKT ? NH4 (ANAEROBIO) NH4 ? NO2- ? NO3-
(AEROBIO) NO3- ? NO2- ? N2 (g)?
(ANAEROBIO) ELIMINACIÓN NKT ? N2 (g)
P inicial ?
P final ?
ANAE
AE
Lodo rico en P
? PROCESOS COMBINADOS
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)