Date post: | 05-Jan-2016 |
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERUInstituto 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 ParticipaciónFacultad
/Dependencia /Institución
Firma
ROJAS ZACARIAS EDGAR LUCIANO 20646786 ADMINISTRATIVO RESPONSABLE
INGENIERIA QUIMICA -TRANSPORTES -
UNCP
Huancayo, Marzo de 2013
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Ms. Yéssica Bendezú RocaDirector del Instituto de Investigación de la
Facultad de Ingeniería Química
------------------------------------------------------------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 Marco teórico 6
2.1 Evaluación de oxígeno disuelto en la disminución de MO 6
2.2 Ecuaciones para evaluación de Oxígeno disuelto 7
2.3 Coeficiente de transferencia de oxígeno 7
III Materiales y métodos 9
3.1 Material 9
3.2 Coeficiente de transferencia de oxígeno (Kla) – Método Sulfito 9
3.3 Preparación de agua residual sintetica 10
3.4 Lenguaje de programación MATLAB 11
3.5 Método - Disposición de equipos 11
36 Elaboración del programa 12
IV Resultados 14
4.1 Coeficiente de transferencia de oxígeno en el agua potable 14
4.2 Coeficiente de transferencia de oxígeno con agua residual 14
4.3 Efecto de la temperaura sobre el kla 17
V Discusión 18
5.1 Discusión de resultados 18
VI Conclusiones 19
VII Recomendaciones 20
VII Referencias Bibliográficas 21
RESUMEN
4
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
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 O2/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) Klar (h-1) Csr (mg/L)
0,3674 22,0427 0,3596 21,5786 7,5375Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual
I. INTRODUCCIÓN
5
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
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 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, 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) Klar (h-1) Csr (mg/L)
0,3674 22,0427 0,3596 21,5786 7,5375Csr: Concentración de saturación de O2 (mg O2/L) en el agua rsidual
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)
…………….. (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:
……………. (2)
Donde:
CO = Capacidad de Oxigenación
Cuando Cs = CO2, la velocidad de trasferencia es cero y el líquido está saturado, cuando CO2 = 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:
…...
(3)
ó
7
…... (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 ,
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
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:
…………………… (5)
Donde; Csr es la concentración de saturación de oxígeno (mg O2/L) en el agua residual. Dicha ecuación también
puede escribirse de la siguiente forma:
……….(6)
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 1– Des-oxigenación y Oxigenación del agua
8
Por lo que es necesario calcular (dO2/dt) con los datos experimentales usando las siguientes ecuaciones:
………. (7)
Para una concentración de oxígeno media se tiene:
………. (8)
Luego se calcula el valor de Csr con la ecuación siguiente:
……….
(9)
III. MATERIAL Y MÉTODOS
Figura 2 – Esquema de la solución de la ecuación (4)
9
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
pH 8,8 8,6 8,5 8,7
Alcalinidad mg CaCO3/L 99 101 99 99
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 O2 /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 CoCl2 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.
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:
10
Peso molecular del CoCl2 = 58,93 + 71,0 = 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:
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-anóxico-
aerobio”, 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
Tabla N° 3 – Componentes de un agua residual sintética
Material Cantidad Unidades
Suero de leche 0,326 mg/L
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:
11
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.
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.
Figura N° 3 – Disposición de equipos para la evaluación
12
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])
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);
13
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
%............ 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
14
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]) %axis([xmin xmax ymin ymax])
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
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.
0 2 4 6 8 10 121
2
3
4
5
6
7
8
9Gráfico OD vs t con Datos experimentales - Agua potable
t - tiempo - minutos
OD
- C
once
ntra
ción
de
Oxi
geno
Dis
uelto
- m
g/L
prueba1
prueba2
Figura N° 4 - Datos experimentales de oxigenación del agua potable a 17 °C
15
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 4.65 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];
Encontrándose las figuras adjuntas con uso del software MatLab:
En la Tabla adjunta se muestran los valores de Kla para las diferentes corridas
Tabla N° 5 – Valores del Kla
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
En 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
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1
2
3
4
5
6
7
Gráfico OD vs t con Datos experimentalesPara la Degradación de la Materia Organica
t - tiempo - minutos
OD
- C
once
ntra
ción
de
Oxi
geno
Dis
uelto
- m
g/L
Prueba01
Prueba02Prueba03
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1
2
3
4
5
6
7
Gráfico OD vs t con Datos experimentalesPara la Degradación de la Materia Organica
t - tiempo - minutos
OD
- C
once
ntra
ción
de
Oxi
geno
Dis
uelto
- m
g/L
Prueba04
Prueba05Prueba06
Prueba07
Figura N° 5 – Des-oxigenación y oxigenación a diferentes intervalos de tiempo
16
La velocidad de consumo promedio de oxígeno por los microorganismos es de 0,3674 mg O2/L/min equivalente a
22,0427 mg O2/L/h
Tabla N° 6 – Valores del Kla
VUO = OUR (mg O2/L/min VUO = OUR (mg O2/L/h Klar (min-1) Klar (h-1) Csr (mg/L)
8 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
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:
0 1 2 3 4 5 6 7-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Determinacion del Kla de Agua residual y (Klar*Csr-VUO)Para la Degradación de la Materia Organica
DO-Conc.Oxigeno Disuelto Promedio-mg/L
dCO
2/dt
- m
g/L/
min
Klar * Csr - VUO = 2.645
Csr = 6.9702
Klar = -0.43694
Datos Experimentales
Modelo
0 2 4 6 8 10 121
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Determinacion de VUO=OUR - Velocidad de Consumo de OxigenoPara la Degradación de la Materia Organica
t - tiempo - minutos
DO
-Con
cent
raci
ón d
e O
xige
no D
isue
lto -
mg/
L
VUO=OUR= 0.40052
Conc.Inicial O2 = 5.8237
Datos Experimentales
Modelo
Figura N°6 – Valores para VUO = OUR (velocidad de consumo de oxígeno y kla (Coeficiente de transferencia) para el primer conjunto de datos
0 5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
8
Valores de Kla mediante Datos Experimentales y SimuladosPara la Degradación de la Materia Organica
tiempo - min
Oxi
geno
Dis
uelto
- O
D -
mg/
l
VUO o OUR
Klar=Experimental
Klar=0.30Klar=0.60
Klar=0.90
Figura N° 7 – Simulación de los valores de Kla frente a la cantidad de oxígeno disuelto en el sistema
17
.
Tabla N° 7 – Influencia de la temperatura en el Kla
Pruebas Klar (h-1) - T=17°C Klar (h-1) - T=20°C
Prueba01 26,2140 28.14Prueba02 21,1200 22.67Prueba03 23,3760 25.09Prueba04 21,5340 23.12Prueba05 24,2460 26.03Prueba06 16,4700 17.68Prueba07 18,0900 19.42
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 . 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
18
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; clcformat compact; format longT=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)
19
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.
20
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. APHA, AWWA, WPCF – (1 992), Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales, (17 edición), 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 – <http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Fundamentos_Tecnicos.pdf>.
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-ciencia-tecnologia.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/OUR-Activated%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 >