°°°Informe final 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Química

INFORME FINAL

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO (Kla) EN LA DISMINUCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA DE UN AGUA RESIDUAL SINTÉTICA Código CTI

: 0302 0006 Tecnologías adecuadas para la disposición, tratamiento y re-uso de aguas residuales domesticas

Código UNESCO

: 3308.10 Tecnología de Aguas Residuales

Fecha de inicio

: Abril 2012.

Fecha de culminación

: Marzo de 2013.

Ejecutor

:

Apellidos y Nombres

DNI

Investigador

Participación

Facultad /Dependencia /Institución

ROJAS ZACARIAS EDGAR LUCIANO

20646786

ADMINISTRATIVO

RESPONSABLE

INGENIERIA QUIMICA -TRANSPORTES UNCP

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ms. Yéssica Bendezú Roca Director del Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Química

Huancayo, Marzo de 2013

Firma

-----------------------------------------------------------Dr. Aurelio Juárez Torres Director del Centro de Investigación de la UNCP

2

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO (Kla) EN LA DISMINUCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA DE UN AGUA RESIDUAL SINTÉTICA

3

CONTENIDO

Página

Resumen

4

I

Introducción

5

II 2.1 2.2 2.3

Marco teórico Evaluación de oxígeno disuelto en la disminución de MO Ecuaciones para evaluación de Oxígeno disuelto Coeficiente de transferencia de oxígeno

6 6 7 7

III 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 36

Materiales y métodos Material Coeficiente de transferencia de oxígeno (Kla) – Método Sulfito Preparación de agua residual sintetica Lenguaje de programación MATLAB Método - Disposición de equipos Elaboración del programa

9 9 9 10 11 11 12

IV 4.1 4.2 4.3

Resultados Coeficiente de transferencia de oxígeno en el agua potable Coeficiente de transferencia de oxígeno con agua residual Efecto de la temperaura sobre el kla

14 14 14 17

V 5.1

Discusión Discusión de resultados

18 18

VI VII VII

Conclusiones Recomendaciones Referencias Bibliográficas

19 20 21

RESUMEN

El presente trabajo tiene por objetivo determinar el valor del coeficiente de trasferencia de oxígeno en la degradación de materia orgánica, así como elaborar un programa en MATLAB para realizar el mencionado cálculo. Cabe señalar que el programa deberá tener la capacidad de recibir datos de concentración de oxígeno disuelto y

4

con el algoritmo correspondiente deberá emitir los valores de Kla y velocidad de consumo de oxígeno por los microorganismos en la eliminación de impurezas.

El agua residual usado con un DQO variable entre 223 y 232 mg de O 2/L y un DBO5 variable entre 166 y 175 mg de O2/L, nos permite concluir que es factible hacer un tratamiento biológico, según (Crespo y colaboradores, 2005), al determinar la DQO y la DBO5 de la muestra y relacionando ambas variables se encuentran valores conocido como índice de biodegradabilidad, el cual indica las posibilidades de biodegradación del agua residual. Así, si la relación DBO5/ DQO es inferior a 0,2 el agua es poco biodegradable, entre 0,2 y 0,4 es biodegradable y valores superiores a 0,4 indican aguas altamente biodegradable

Puesto que se ha corrido siete pruebas de degradación de materia orgánica con aporte de oxígeno, se obtuvieron siete valores de kla, las mismas que fueron evaluados en función a la temperatura, encontrándose que existe una influencia directa,

Los valores promedios de la velocidad de consumo de oxígeno por los microorganismos, el coeficiente de trasferencia de oxígeno (kla) y la concentración de saturación de oxígeno (Csr) para la degradación de materia orgánica se muestran en la tabla adjunta:

VUO = OUR (mg O2/L/min

VUO = OUR (mg O2/L/h

Klar (min-1)

0,3674 22,0427 0,3596 Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual

I.

Klar (h-1)

Csr (mg/L)

21,5786

7,5375

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene por objetivo determinar el valor del coeficiente de trasferencia de oxígeno en la degradación de materia orgánica, así como elaborar un programa en MATLAB para realizar el mencionado cálculo. Cabe señalar que el programa deberá tener la capacidad de recibir datos de concentración de oxígeno disuelto y

5

con el algoritmo correspondiente deberá emitir los valores de Kla y velocidad de consumo de oxígeno por los microorganismos en la eliminación de impurezas.

Según (Crespo y colaboradores, 2005), al determinar la DQO y la DBO 5 de la muestra y relacionando ambas variables se encuentran valores conocido como índice de biodegradabilidad, el cual indica las posibilidades de biodegradación del agua residual. Así, si la relación DBO 5/ DQO es inferior a 0,2 el agua es poco biodegradable, entre 0,2 y 0,4 es biodegradable y valores superiores a 0,4 indican aguas altamente biodegradable, para el caso del presente trabajo el valor de la relación está por sobre 0,74.

Puesto que se ha corrido siete pruebas de degradación de materia orgánica con aporte de oxígeno, se obtuvieron siete valores de kla, las mismas que fueron evaluados en función a la temperatura, encontrándose que existe una influencia directa,

Los valores promedios de la velocidad de consumo de oxígeno por los microorganismos, el coeficiente de trasferencia de oxígeno (kla) y la concentración de saturación de oxígeno (Csr) para la degradación de materia orgánica se muestran en la tabla adjunta:

VUO = OUR (mg O2/L/min

VUO = OUR (mg O2/L/h

Klar (min-1)

0,3674 22,0427 0,3596 Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual

Klar (h-1)

Csr (mg/L)

21,5786

7,5375

6

II.

MARCO TEÓRICO

2.1 EVALUACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO EN LA DISMINUCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA. En el presente trabajo de investigación se determinará el valor de Kla para un agua residual sintética, el cual está ligado al consumo de oxígeno disuelto en el proceso de disminución de materia orgánica y/o nitrificación, la misma que esta dado por la cantidad de oxigeno suministrado menos el consumo de oxigeno por las bacterias heterotrófica o autotróficas, ello está representado por la siguiente ecuación: (Martínez, 2005)

dO 2  Kla * (Cs  CO 2 ) - OUR dt

…………….. (1)

Donde: dO2/dt

= Variación de oxigeno por unidad de tiempo

Kla

= Coeficiente de transferencia de oxígeno

Cs

= Máxima concentración teórica de O2 saturado a la temperatura del agua en el sistema.

Csr

= Máxima concentración teórica de O2 saturado a la temperatura del agua residual

CO2

= Concentración de oxígeno en la zona líquida

OUR

= Consumo de oxígeno por las bacterias

El proceso de oxigenación del agua de llave está dado por la siguiente ecuación:

CO 

dO2  Kla * (Cs  CO2) dt

……………. (2)

Donde: CO

=

Capacidad de Oxigenación

Cuando Cs = CO2, la velocidad de trasferencia es cero y el líquido está saturado, cuando CO 2 = 0, se alcanza la mayor velocidad de transferencia de oxígeno. 2.2 ECUACIONES PARA EVALUACION DE OXIGENO DISUELTO La cantidad de oxígeno disuelto se determina siguiendo la metodología propuesta por Martínez (2005). Acondicionando la ecuación (17) para integrar, se tiene: tt

 t 0 (3)

dO2  Kla * Cs  CO 2

tt

 t 0

dt

…...

7

Ln

(C S  CO 2( t  0)) .  .Kla * t (C S  CO 2( t  t ))

Ln (C S  CO 2 ( t

 t )).   Kla *

ó

t  Ln (C S - CO 2 (t  0))

…...

(4)

Dicha ecuación representa a una recta, donde el valor de la pendiente es igual -Kla) y el valor de intersección en la ordenada tendrá el valor equivalente a Ln (Cs - CO 2 (t  0)) ,

2.3 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO ( Klar ) Esta prueba se realiza en el reactor previamente acondicionado con la sonda de medición de oxígeno disuelto, el agua residual y los microorganismos nitrificantes. Según Martínez (2005), Durán (2006) y Torres (2007), consiste en suspender la aireación en el sistema para que la concentración de oxígeno disuelto disminuya debido al consumo de las bacterias nitrificantes. Este experimento permite determinar la velocidad de consumo de oxígeno disuelto en función del tiempo y se obtiene un

Figura 1– Des-oxigenación y Oxigenación del agua

perfil como se muestra en la Figura 1, se muestra la velocidad de consumo de oxigeno (OUR=VUO) que es la pendiente obtenida en la fase de suspensión de la aireación y la intersección es la concentración del oxígeno al inicio de la prueba. Para la determinación del Klar se usa la variación de oxígeno disuelto en la fase de re-aireación el cual está dado por el suministro de oxígeno menos el consumo de oxígeno por los microorganismos (OUR=VUO) y está representado por la siguiente ecuación:

dO 2  Klar * (Csr  CO 2 ) - OUR dt

…………………… (5)

Donde; Csr es la concentración de saturación de oxígeno (mg O 2/L) en el agua residual. Dicha ecuación también puede escribirse de la siguiente forma:

dO 2  ( Klar * Csr  OUR )  Klar * CO 2 dt ……….(6)

8

El gráfico de (dO2/dt) vs [O2]=CO2, es una recta, cuya pendiente es el valor de Klar (coeficiente de transferencia de oxígeno en el agua residual) y el punto de intersección en la ordenada equivalente a b = (Klar * Csr – OUR), tal como se muestra en la Figura 2 adjunta.

Figura 2 – Esquema de la solución de la ecuación (4)

Por lo que es necesario calcular (dO2/dt) con los datos experimentales usando las siguientes ecuaciones:

dO 2 ((n1)/2) dt



C n  C n1 t

………. (7)

Para una concentración de oxígeno media se tiene:

Co 2 ((n1)/2) 

C n  C n1 2

………. (8)

Luego se calcula el valor de Csr con la ecuación siguiente:

Csr  (9)

b  OUR Klar

……….

9

III. MATERIAL Y MÉTODOS

3.1 MATERIAL El material o población motivo de estudio ser un agua residual preparado para tal fin, cuyas características se muestran en la tabla adjunta y el método estará basada en la norma internacional para evaluar la eficiencia de oxigenación de un sistema de transferencia de oxígeno, es la desarrollada por la American Society of Civil Engineers (ASCE) y la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos: "A Standard for the Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water".

Tabla N° 1 – Características del agua residual a tratar Muestra1

Muestra2

Muestra3

Muestra4

DQO

(mg/L)

223,5

232,5

226,4

227,5

DBO5

(mg/L)

175

166

167

166,0

OD

(mg/L)

5,30

5,32

5,44

5,48

SST

(mg/L)

472

466

468

488

SSV

(mg/L)

273

269

263

270

8,8

8,6

8,5

8,7

99

101

99

99

pH Alcalinidad

mg CaCO3/L

3.2 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO ( Kla ) – MÉTODO SULFITO El método consiste en airear un volumen determinado de agua potable hasta la saturación de oxígeno disuelto (OD) con la finalidad de conocer la cantidad de bisulfito de sodio necesario para la desoxigenación, luego se elimina el OD de la muestra hasta alcanzar aproximadamente cero mg de O 2 /L con el bisulfito, para calibrar el tiempo igual a cero en ese momento, luego re-airear el sistema y tomar la concentración de OD a diferentes intervalos de tiempo hasta la saturación. La reacción de eliminación de OD con bisulfito en presencia de CoCl 2 está dada por la siguiente ecuación: Na2SO3 +

½ O2

+

CoCl2.6H2O  Na2SO4

PM=126 PM=16 Por cada mg de OD (oxígeno disuelto) se requiere: X = (1 mg de O2 * 126 / 16 = 7,875 = 7,9 mg de Na2SO3 / mg de O2.

10

El registro de OD al momento de saturar la muestra de agua de caño con aire es de 8,5 mg O 2/L, luego la cantidad necesaria de bisulfito de sodio, considerando un 30% adicional (según recomendación ASCE) es de: Bisulfito = (7,9 mg Na2SO3 / mg O2) * ( 8,5 mg O2/L) * 1,30 = 87,30 mg Na2SO3 La cantidad de CoCl2 a usar según el método ASCE es de 1,5 mg de Co +2/L, siendo el peso atómico del cobalto (Co) igual 58,93 g/mol y del cloro (Cl) igual a 35,5 g/mol, se tiene: Peso molecular del CoCl2 = 58,93 + 71,0 = 129,93

% peso de Co en CoCl2 

58,93  0,4535  45,35 % 129,93

La concentración deseada es de 1,5 mg/L, como se trata un volumen de agua de 1,5 litros, debe alcanzar una concentración de 2,25 mg, luego:

Cantidad de Cloruro de Cobalto 

2,25  1,0  4,96 mg de CoCl 2 0,4535

Las condiciones de trabajo en el laboratorio se dan en la tabla adjunta.

Tabla N° 2 - Condiciones de proceso para la determinación de Kla del agua potable Variables de proceso

Condiciones de procesos

Presión de Operación

520 mm Hg

Temperatura de laboratorio

17°C

Volumen de agua

2,0 litros

Flujo de aire por el aireador de acuario

(alta y baja)

3.3 PREPARACION DE AGUA RESIDUAL SINTETICA Una forma de preparar un agua residual sintética es mezclando los componentes mostrados en la tabla adjunta de la investigación “Remoción Biológica de materia orgánica, nitrógeno y fosforo en un sistema tipo Anaerobio-anóxicoaerobio”, realizados por Maribel González y Julio Cesar Saldarriaga. El agua residual preparada alcanza valores promedio de 196 mg DBO / L; 450 mg de DQO, 40 mg NTK / L y 08 mg PT/L

Material

Tabla N° 3 – Componentes de un agua residual sintética Cantidad Unidades

Suero de leche

0,326

mg/L

11

Sucrosa

0,49

mg/L

Acetato de sodio

1,12

mg/L

Fosfato acido de potasio

0,45

mg/L

Urea

2,4

mg/L

Solución de elementos menores

0,3

mg/L

Fuente: Gonzales, Maribel y Saldarriaga, Julio Cesar (2008)

Del mismo modo algunos laboratorios propusieron una solución sintética como estándar de medida, cuya composición por litro se muestra en la tabla adjunta: Tabla N° 4– Componentes de un agua residual sintética Componente peso Glucosa monohidratada

750 mg

L-Glutamato sódico monohidratado

750 mg

PO4H2K

1,12 g

PO4HK2

1,06 g

SO4Mg – 7 H2O

0,10 g

Cl3Fe – 6 H2O

0,02 g

Cl2Ca

0,10 g

Fuente: Gil Rodriguez, Manuel (1998)

Que analizada en el laboratorio dio como resultado para la DBO5 equivalente a 848 ± 48 mg/L

3.4 LENGUAJE DE PROGRAMACION MATLAB El lenguaje de programación a usarse es el MATLAB, que posee la ventaja de trabajar con ecuaciones diferenciales y solucionarlos con el método de Runge-Kutta, mediante el comando ode45.

3.5 METODOS 3.5.1

DISPOSICION DE EQUIPO

Para la evaluación del proceso de lodos activados y eliminar materia orgánica se hizo uso de una cubeta de vidrio como se muestra en la figura adjunta, donde el agua residual y el lodo activados proveniente de la planta de tratamiento de aguas residuales “Concepción”, previamente aclimatado, se mezclaron y se procedió a la corrida de eliminación de materia orgánica.

Figura N° 3 – Disposición de equipos para la evaluación

12

Para la toma de las concentraciones de oxígeno a diferentes intervalos de tiempo para la des-oxigenación y oxigenación, la cubeta fue cerrada para impedir el ingreso de aire al reactor (oxígeno) y evitar errores.

3.5.2

ELABORACION DEL PROGRAMA

El programa general en MATLAB consta de dos subprogramas: por ejemplo; el primero llamado oximatorg donde se detallan las condiciones con que debe correr el programa, quien llamará a la función (oximatorg 001) donde se encuentran las variables y ecuación diferencial, para regresar al programa oximatorg y proceder a graficar la función llamada. % Tesis + Proceso de oxigenación en Degradación de Materia Orgánica - Ploteo de datos experimentales clc; clear all; clear memory; clear command history; clc; format compact t= [0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0]; M1 = [5.70 5.38 4.76 4.86 4.55 3.95 3.47 2.71 2.45 2.34 2.26 1.02

2.61 3.86 4.40 5.49 5.56 5.73 5.70 5.82 5.93];

M2 = [5.50 4.75 4.50 3.88 3.68 3.60 3.45 3.15 2.55 2.30 2.18 1.00

2.71 3.73 4.45 5.51 5.46 5.72 5.92 5.96 6.13];

M3 = [5.60 5.05 4.60 3.82 3.59 3.50 2.92 2.78 2.63 2.45 2.26 1.12

2.87 4.25 4.75 5.42 5.73 5.98 6.11 6.18 6.55];

M4 = [5.40 5.05 4.45 4.63 4.21 3.72 3.42 2.91 2.60 2.40 2.22 1.10

2.82 3.98 4.43 5.35 5.65 5.78 5.89 6.23 6.17];

M5 = [5.60 5.48 4.65 4.68 4.43 3.87 3.94 2.72 2.33 2.15 2.10 1.09

2.24 3.82 4.44 5.28 5.63 5.88 6.11 6.15 6.43];

M6 = [5.70 5.34 4.65 4.46 3.88 3.55 3.60 2.99 2.85 2.63 2.45 1.33

2.62 3.78 4.32 5.53 5.62 5.79 5.92 5.95 6.39];

M7 = [5.65 5.55 5.30 4.73 4.56 4.00 3.66 3.35 2.80 2.50 2.30 1.20

2.73 3.54 4.68 5.28 5.27 5.63 5.84 6.11 6.21];

plot(t,M1,'.-r',t,M2,'*-k',t,M3,'o-b',t,M4,'.-k',t,M5,'o-b',t,M6,'-.g',t,M7,'.-m') title({'Gráfico OD vs t con Datos experimentales';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('t - tiempo - minutos'); ylabel('OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L') axis([0 20 0.5 7.5])

%axis([xmin xmax ymin ymax])

h = legend('Pueba01','Prueba02','Prueba03','Prueba04','Prueba05','Prueba06','Prueba07',4); figure; plot(t,M1,'.-r',t,M2,'*-k',t,M3,'o-b'); title({'Gráfico OD vs t con Datos experimentales';'Para la Degradación de la Materia Organica'}), xlabel('t - tiempo - minutos'); ylabel('OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L') axis([0 20 0.5 7.5])

%axis([xmin xmax ymin ymax])

h = legend('Prueba01','Prueba02','Prueba03',4); figure; plot(t,M4,'.-g', t,M5,'o-b',t, M6,'-.m',t, M7,'.-k') title({'Gráfico OD vs t con Datos experimentales';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('t - tiempo - minutos'); ylabel('OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L') axis([0 20 0.5 7.5])

%axis([xmin xmax ymin ymax])

13

h = legend('Prueba04','Prueba05','Prueba06','Prueba07',4); %Determinación del VUO=OUR Para Degradación de Materia Orgánica t_deoxig = [0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.0 11.0]; DEOXIG = [5.70 5.38 4.76 4.86 4.55 3.95 3.47 2.71 2.45 2.34 2.26 1.02; 5.50 4.75 4.50 3.88 3.68 3.60 3.45 3.15 2.55 2.30 2.18 1.00; 5.60 5.05 4.60 3.82 3.59 3.50 2.92 2.78 2.63 2.45 2.26 1.12; 5.40 5.05 4.45 4.63 4.21 3.72 3.42 2.91 2.60 2.40 2.22 1.10; 5.60 5.48 4.65 4.68 4.43 3.87 3.94 2.72 2.33 2.15 2.10 1.09; 5.70 5.34 4.65 4.46 3.88 3.55 3.60 2.99 2.85 2.63 2.45 1.33; 5.65 5.55 5.30 4.73 4.56 4.00 3.66 3.35 2.80 2.50 2.30 1.20]; for i=1:7 m=polyfit(t_deoxig,DEOXIG(i,1:12),1); nueva_Cl=m(1).*t_deoxig + m(2);figure VUO(i)=-1*m(1);

VUOVUO(i)= 1*m(1);

plot(t_deoxig,DEOXIG(i,1:12),'.r',t_deoxig,nueva_Cl,'-b') title({'Determinacion de VUO=OUR - Velocidad de Consumo de Oxigeno';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('t - tiempo - minutos'); ylabel('DO-Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L') texto1=['VUO=OUR= ',num2str(VUO(i))]; text(1.0,2.6,texto1) texto2=['Conc.Inicial O2 = ',num2str(m(2))]; text(1.0,2.2,texto2) h = legend('Datos Experimentales','Modelo',1); end %Determinación del Klar de agua residual y Csr t_oxig = [12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0]; OXIG = [2.61 3.86 4.40 5.49 5.56 5.73 5.70 5.82 5.93; 2.71 3.73 4.45 5.51 5.46 5.72 5.92 5.96 6.13; 2.87 4.25 4.75 5.42 5.73 5.98 6.11 6.18 6.55; 2.82 3.98 4.43 5.35 5.65 5.78 5.89 6.23 6.17; 2.24 3.82 4.44 5.28 5.63 5.88 6.11 6.15 6.43; 2.62 3.78 4.32 5.53 5.62 5.79 5.92 5.95 6.69; 2.73 3.54 4.68 5.28 5.27 5.63 5.84 6.11 6.21]; for i=1:7 for j=1:8 dCO2(i,j)=((OXIG(i,j+1)-OXIG(i,j))/((t_oxig(i+1)-t_oxig(i))) ); CO2(i,j) =(OXIG(i,j+1)+OXIG(i,j))/2; end dCO2(i,1:8); CO2(i,1:8); mm=polyfit(CO2(i,1:8),dCO2(i,1:8),1); Klar = mm(1); Klar1=-1*mm(1); Kla(i)= -1*mm(1); KlarXCsr_VUO = mm(2); Csr(i)=(mm(2)-VUOVUO(i))/Kla(i); CCO2=0:0.1:6.9; nueva_recta=mm(1).*CCO2 + mm(2);figure plot(CO2(i,1:8),dCO2(i,1:8),'or',CCO2,nueva_recta,'-b'); title({'Determinacion del Kla de Agua residual y (Klar*Csr-VUO)';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('DO-Conc.Oxigeno Disuelto Promedio-mg/L'); ylabel('dCO2/dt - mg/L/min') texto3=['Klar * Csr - VUO = ',num2str(mm(2))]; text(0.5,2.3,texto3) texto4=['Csr = ',num2str(Csr(i))]; text(4.0,1.8,texto4) texto5=['Klar = ',num2str(Klar)]; text(4.0,1.5,texto5) h = legend('Datos Experimentales','Modelo',3);axis([0 7 -1 3]) %axis([xmin xmax ymin ymax]) end

14

%............ figure; % Figura 18; plot(t,M1,'or');hold on [t,y]=ode45('Aireacion02',[0 25],[5.8]);

% Se genera un arreglo t vs y

plot(t,y(:,1),'-b'); grid on; %title({'First line';'Second line'}); OJOJOJOJOJO title({'Gráfico Oxigeno Disuelto y Tiempo - Ajustado';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('t - tiempo - minutos'); ylabel('DO-Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L') axis([0 30 0.5 8.0]);

%axis([xmin xmax ymin ymax]); h = legend('Datos Experimentales','Modelo',4);

% Simular para varios valores de Klar: Kla para el Agua Residual % dsolve('Dy = Klar*(Csr - y) - VUO','y(t=10.4) = Cl=1.7','t'); % Los valores de Csr y Klar para VUO mas alto son: % Klar=0.437; Csr=6.97; VUO=-0.4005; figure

% Figura 19

plot(t,y(:,1),'-b'); hold on;

% OJOOJOJOJOJO

% Para obtener la solucion de la ecuación % En el minuto 11 finaliza la desoxigenación en el sistema y(11)=1.02 dsolve1=dsolve('Dy = Klar*(6.9702-y)-0.4005','y(12)=1.02','t'); %g=inline('186/25-3839/10000/Klar-1/10000*exp(-Klar*t)*(58400*Klar-3839)/exp(-11*Klar)/Klar','t','Klar') g=inline(dsolve1,'t','Klar'); t=12:0.5:30; for Klar=0.30:0.30:0.90 switch Klar case 0.30 xox='.-r'; case 0.60 xox='.-k'; case 0.90 xox='.-b'; otherwise xox='.-m'; end plot(t,g(t,Klar),xox) end grid on; %title({'First line';'Second line'}) title({'Valores de Kla mediante Datos Experimentales y Simulados';'Para la Degradación de la Materia Organica'}) xlabel('tiempo - min'); ylabel('Oxigeno Disuelto - OD - mg/l'); axis([0 30 0.5 8.0]) h = legend('Klar=Experimental','Klar=0.30','Klar=0.60','Klar=0.90',4); text(1.5,3,'VUO o OUR','BackgroundColor',[.7 .9 .7]); disp(' '); disp(' ') [VUOVUO];[VUO]; [Csr]; [Kla] % mg O2/L/min; mg O2/L/min; mg/L; min-1; [Xm]=mg/L VUO=VUO*60

%axis([xmin xmax ymin ymax])

15

IV. RESULTADOS

4.1 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN EL AGUA POTABLE. Para conocer la relación que existe entre el coeficiente de transferencia de oxígeno del agua potable y del agua residual usada, se hizo la evaluación de oxigenación del agua potable a la presión de 520 mm Hg y 17 °C, cuyos resultados se muestran en la Figura adjunta.

Gráfico OD vs t con Datos experimentales - Agua potable

OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L

9 8 7 6 5 4

prueba1 prueba2

3 2 1

0

2

4

6 t - tiempo - minutos

8

10

12

Figura N° 4 - Datos experimentales de oxigenación del agua potable a 17 °C

4.2 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO CON AGUA RESIDUAL Para el caso del agua residual se hicieron siete pruebas de oxigenación y desoxigenación, tomando medidas de oxígeno disuelto en intervalos constantes de tiempo, las mismas que se muestran en la tabla adjunta: M1 = [5.70 5.38 4.76 4.86 4.55 3.95 3.47 2.71 2.45 2.34 2.26 1.02

2.61 3.86 4.40 5.49 5.56 5.73 5.70 5.82 5.93];

M2 = [5.50 4.75 4.50 3.88 3.68 3.60 3.45 3.15 2.55 2.30 2.18 1.00

2.71 3.73 4.45 5.51 5.46 5.72 5.92 5.96 6.13];

M3 = [5.60 5.05 4.60 3.82 3.59 3.50 2.92 2.78 2.63 2.45 2.26 1.12

2.87 4.25 4.75 5.42 5.73 5.98 6.11 6.18 6.55];

M4 = [5.40 5.05 4.45 4.63 4.21 3.72 3.42 2.91 2.60 2.40 2.22 1.10

2.82 3.98 4.43 5.35 5.65 5.78 5.89 6.23 6.17];

M5 = [5.60 5.48 4.65 4.68 4.43 3.87 3.94 2.72 2.33 2.15 2.10 1.09

2.24 3.82 4.44 5.28 5.63 5.88 6.11 6.15 6.43];

M6 = [5.70 5.34 4.65Gráfico 4.46OD3.88 3.55 2.99 2.85 2.63 2.45 1.33 vs t con Datos3.60 experimentales

2.62 3.78 4.32 5.62experimentales 5.79 5.92 5.95 6.39]; Gráfico OD vs5.53 t con Datos Para la Degradación de la Materia Organica

Para la Degradación de la Materia Organica

M7 = [5.65 5.55 5.30 4.73 4.56 4.00 3.66 3.35 2.80 2.50 2.30 1.20

2.73 3.54 4.68 5.28 5.27 5.63 5.84 6.11 6.21]; 7

7

OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L

OD - Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L

Encontrándose las figuras adjuntas con uso del software MatLab: 6 5 4 3 2

Prueba01 Prueba02 Prueba03

1 0

2

4

6

8 10 12 t - tiempo - minutos

14

16

18

20

6 5 4 3 Prueba04 Prueba05 Prueba06 Prueba07

2 1 0

2

4

6

8 10 12 t - tiempo - minutos

14

16

18

20

16

Figura N° 5 – Des-oxigenación y oxigenación a diferentes intervalos de tiempo

En la Tabla adjunta se muestran los valores de Kla para las diferentes corridas

Tabla N° 5 – Valores del Kla

En

VUO = OUR (mg O2/L/min

VUO = OUR (mg O2/L/h

Klar (min-1)

Klar (h-1)

Csr (mg/L)

1

0,4005

24,0315

0,4369

26,2140

6,9702

2

0,3371

20,2280

0,3520

21,1200

7,3188

3

0,3441

20,6434

0,3896

23,3760

7,4548

4

0,3548

21,2874

0,3589

21,5340

7,3807

5

0,3998

23,9874

0,4041

24,2460

7,4910

6

0,3458

20,7462

0,2745

16,4700

8,3092

7

0,3896

23,3748

0,3015

18,0900

7,8377

la figura adjunta se muestra el valor de VUO = OUR (velocidad de consumo de oxígeno por los

microorganismos) y el kla (coeficiente de transferencia de oxígeno para el primer conjunto de datos

Determinacion de VUO=OUR - Velocidad de Consumo de Oxigeno Para la Degradación de la Materia Organica

6

Datos Experimentales Modelo

2.5

5 4.5 4 3.5 3 VUO=OUR= 0.40052

2.5

Csr = 6.9702

1.5

Klar = -0.43694

1 0.5 Datos Experimentales Modelo

0

Conc.Inicial O2 = 5.8237

2

-0.5

1.5 1

Klar * Csr - VUO = 2.645

2 dCO2/dt - mg/L/min

DO-Concentración de Oxigeno Disuelto - mg/L

5.5

Determinacion del Kla de Agua residual y (Klar*Csr-VUO) Para la Degradación de la Materia Organica

3

0

2

4

6 t - tiempo - minutos

8

10

12

-1

0

1

2 3 4 5 DO-Conc.Oxigeno Disuelto Promedio-mg/L

6

7

Figura N°6 – Valores para VUO = OUR (velocidad de consumo de oxígeno y kla (Coeficiente de transferencia) para el primer conjunto de

La velocidad de consumo promedio de oxígeno por los microorganismos es de 0,3674 mg O 2/L/min equivalente a datos 22,0427 mg O2/L/h

Tabla N° 6 – Valores del Kla

17

8

VUO = OUR (mg O2/L/min

VUO = OUR (mg O2/L/h

Klar (min-1)

Klar (h-1)

Csr (mg/L)

0,3674

22,0427

0,3596

21,5786

7,5375

Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual

También en la figura adjunta observamos una simulación con valores de Kla con relación a la cantidad de oxigeno disuelto en el sistema

Valores de Kla mediante Datos Experimentales y Simulados Para la Degradación de la Materia Organica

8 7

Oxigeno Disuelto - OD - mg/l

6 5 4 3

VUO o OUR Klar=Experimental Klar=0.30 Klar=0.60 Klar=0.90

2 1 0

5

10

15 tiempo - min

20

25

30

Figura N° 7 – Simulación de los valores de Kla frente a la cantidad de oxígeno disuelto en el sistema

4.3 EFECTO DE LA TEMPREATURA SOBRE EL kla El efecto de la temperatura sobre el coeficiente de transferencia de oxígeno se muestran en la tabla adjunta y esta dado por la siguiente ecuación:

kla 20  kla * 1024  20  T  . Tabla N° 7 – Influencia de la temperatura en el Kla Pruebas

Klar (h-1) - T=17°C

Klar (h-1) - T=20°C

Prueba01 Prueba02 Prueba03 Prueba04 Prueba05 Prueba06 Prueba07

26,2140 21,1200 23,3760 21,5340 24,2460 16,4700 18,0900

28.14 22.67 25.09 23.12 26.03 17.68 19.42

18

V.

DISCUSIÓN

5.1 DISCUSION DE RESULTADOS En la figura 5 se puede observar la disminución de oxígeno en función al tiempo, debido a la presencia de microorganismos en el sistema que consume el oxígeno para multiplicarse y llevar a cabo el proceso de disminución de la materia orgánica. De la tabla 5 y bibliografía especializada, se puede concluir; que el coeficiente de transferencia de oxígeno varía dependiendo de la cantidad de microorganismos presentes en el agua residual, donde el coeficiente de mayor valor corresponde a la menor cantidad de microorganismos, mientras que el coeficiente menor corresponde a la mayor cantidad de microorganismos. La temperatura en los procesos aeróbicos afecta a la solubilidad del oxígeno y al coeficiente de transferencia de oxígeno (kla). Un incremento de temperatura produce una disminución de la solubilidad del oxígeno y por lo tanto, de la fuerza impulsora de la transferencia de oxígeno (C S - CO 2 (t  0)) . Al mismo tiempo aumenta la difusividad del oxígeno en la película líquida que rodea a las burbujas, lo que produce un incremento en kla. En la tabla N° 7 se puede observar la influencia de la temperatura en el kla. Se encontró el valor de Kla (coeficiente de transferencia de oxígeno) en el agua residual igual a 0,3596 min-1 ó 21,5786 h-1 y la concentración de oxígeno promedio en el agua residual equivalente a 7,5375 mg/L, con los que se

simuló la influencia de valores de Kla equivalente a 0,30, 0,60 y 0,90 con respecto a la cantidad de oxígeno disuelto, encontrando los resultados mostrados en la figura N° 7, donde se observa que se alcanzan valores altos de oxígeno disuelto con altos valores de Kla a un tiempo definido

19

VI. CONCLUSIONES

1.

Los valores de la velocidad de consumo de oxígeno por los microorganismos, el coeficiente de trasferencia de oxígeno (kla) y la concentración de saturación de oxígeno (Csr) para la degradación de materia orgánica se muestran en la tabla adjunta: VUO = OUR (mg O2/L/min

VUO = OUR (mg O2/L/h

Klar (min-1)

Klar (h-1)

Csr (mg/L)

0,3674

22,0427

0,3596

21,5786

7,5375

Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual

2. El programa elaborado para el cálculo de kla y la simulación de diferentes valores de kla vs oxígeno disuelto se muestra en el capítulo de resultados.

3. El programa elaborado para ver el efecto de la temperatura en el kla (coeficiente de trasferencia de oxígeno se muestra adjunto: % Tesis + Influencia de la temperatura clc; clear all; clear memory; clear command history; clc format compact; format long T=17; kla201 = 26.2140 * 1.024^(20 - T) kla202 = 21.1200 * 1.024^(20 - T) kla203 = 23.3760 * 1.024^(20 - T) kla204 = 21.5340 * 1.024^(20 - T) kla205 = 24.2460 * 1.024^(20 - T) kla206 = 16.4700 * 1.024^(20 - T) kla207 = 18.0900 * 1.024^(20 - T)

20

VII. RECOMENDACIONES

1.

Realizar las pruebas de degradación de materia orgánica con diferentes caudales de aire (abastecimiento de oxígeno), así como; difusores para mejorar la aireación.

2.

Recoger datos de concentración de oxígeno disuelto en el medio (reactor de degradación) usando sensores de oxígeno, captando las señales con Labview.

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1.

APHA, AWWA, WPCF – (1 992), Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales, (17 edición),

21

Madrid, Ediciones Díaz de Santos S.A. 2.

CRITES, Ronald W. y TCHOBANOGLOUS, George (2001), Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones (Primera edición), Colombia, Editorial NOMOS S.A.

3.

RAMALHO Rubens S.(1996), Tratamiento de Aguas Residuales, (Edición en Español), España, Editorial Reverté.

4.

Arce Vásquez, Ana – Calderón Molgara – Romasini Ortiz, Ana – Fundamentos Técnicos para muestreo y análisis de Aguas Residuales – Consulta: Junio 2007 – .

5.

Durán Herrera, Esteban y Rojas Meza, Gerardo (2006) – Modelación de la transferencia de oxígeno en sistemas de aeración mediante un modelo de dos zonas simplificado – Consulta: Marzo, 2008 - http://revista-cienciatecnologia.ucr.ac.cr/index.php/cienciaytecnologia/article/view/103/70

6.

Chamindra Y. Dassanayake – Use of Oxygen Uptake Rate (OUR) as a Tool to Start Up, Predict Process Instability, Perform Rapid Process Optimization, and Monitor Nitrifier Population Dynamics in Biological Nitrogen Removal (BNR) Systems – Teaching an Old Dog New Tricks Consulta Enero de 2012 - < http://www.tawwa.org/TW07Proceedings/070412a/WWTreatment/Use%20of%20Oxygen%20Uptake%20Rate%20(OUR) >

7.

Dieter Toulousse, Farhan Ahmad - Design of an Experimental Unit for the Determination of Oxygen Gas-Liquid Volumetric Mass Transfer Coefficients using the Dynamic Re-oxygenation Method - Consulta Abril de 2012 - < http://www.egr.msu.edu/~hashsham/courses/ene806/docs/Oxygen%20Uptake%20Rate >

8.

Erazo E., Raymundo y Cardenas R., Jorge L. – Determinación Experimental del coeficiente de transferencia de Oxígeno (Kla) en un Bioreactor Batch – Consulta Abril 2012 < http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/ing_quimica/vol4_n2/determinacion_experimental.pdf >

9.

Gautam Chalasani, Weimin Sun – A Report on Measurement of Temperature Effects on Oxygen Uptake Rate in Activated Sludge Treatment – Consulta Agosto de 2012 - http://www.egr.msu.edu/~hashsham/courses/ene806/docs/OURActivated%20Sludge.pdf

10. Gil Rodriguez, Manuel – Demanda Bioquímica de oxígeno de Efluentes con productos xenobióticos – Consulta: Julio 2011 - < http://upcommons.upc.edu/revistes/bitstream/2099/3048/1/54article5.pdf > 11. Gonzales, Maribel y Saldarriaga, Julio Cesar – Remoción Biológica de materia orgánica. Nitrógeno y fosforo en un sistema tipo Anaerobio-Anoxico- Aerobio – Consulta: Febrero de 2012 - < http://revista.eia.edu.co/articulos10/art4.pdf > 12. Marinette, Hagman y Jes la Cour, Jansen - Oxigen Uptake Rate Measurements for Application at Wastewater Treatment Plants – Consulta Julio de 2012 < http://www.tidskriftenvatten.se/mag/tidskriftenvatten.se/dircode/docs/48_article_2361.pdf > 13. Mohd Tajuddin, Ramlah, Ahmad Fauzi, Ismail y Razman Salim, Mohd – Effects of oxygen concentration on microbial growth palm oil mill effluent using oxygen enriched air membrane system – Consulta: Mayo de 2012 - < http://eprints.utm.my/1069/1/AhmadFauziIsmail2004_EffectsOfOxygenConcentrationOn.pdf > 14. Stenstrom, Micahel K., Shao Yuan, Leu y Pan Jiang – Theory to Practice: Oxygen Transfer and the new ASCE Standard – Consulta Junio 2012 - < http://www.environmental-expert.com/Files/5306/articles/12650/385.pdf > 15. Senthilkumar Sivaprakasam, Surianarayanan Mahadevan y Swaminathan Gopalaraman – Oxygen mass transfer studies on batch cultivation of P. aeruginosa in a biocalorimeter – Consulta: Marso de 2012 - < http://www.bioline.org.br/pdf?ej08008 > 16. Thakre, S.B., Bhuyar, L:B: y Deshmukh, S.J. – Effect of Different Configurations of Mechanical Aerators on Oxygen Transfer and Aereation Efficiency with respect to Power Consumption – Consulta: Mayo de 2012 - < http://www.waset.org/journals/ijame/v2/v2-2-15.pdf > 17. Zhen He, Anurak Petiraksakul y Warawitya Meesapya – Oxygen Transfer Measurement in clean water – Consulta: Junio 2012 - < http://www.egr.msu.edu/~hashsham/courses/ene806/docs/OUR-Activated%20Sludge.pdf >