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 >