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Esta tesis de maestría explora el uso de respirometrías heterogéneas para determinar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido. El trabajo se centra en la aplicación de técnicas de respirometría para analizar el comportamiento de biofiltros utilizados en el tratamiento de aguas residuales, específicamente en la eliminación de contaminantes como el sulfuro de hidrógeno. La tesis presenta un análisis detallado de los métodos experimentales, la modelación matemática y la interpretación de los resultados obtenidos.
Typology: Thesis
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"Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido"
Que para obtener el grado de:
Maestro en ciencias (en Ingeniería Química)
Presenta:
I.Q. Wenceslao Cuauhtémoc Bonilla Blancas
Asesor: Dr. Sergio Revah Moiseev
México D.F. Abril 2013
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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Dedico este trabajo a Magdalena, a mi madre, a Jose, Liz, Bere, Gycell y Astrid. “A su amor, su fe y su apoyo”
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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En este trabajo se reporta el diseño, construcción, y operación de un respirómetro heterogéneo (RH), que fue usado para implementar la técnica de respirometría de microorganismos inmovilizados. El empleo del respirómetro permite caracterizar los fenómenos de transferencia de masa interfaciales y los parámetros cinéticos aparentes asociados a lechos empacados en cuya superficie se encuentre una biopelícula como la que se forma durante la operación de biofiltros de cualquier escala. La principal cualidad de esta técnica residió en conservar la integridad de la biopelícula y de esta manera poder evaluar una cinética microbiana aparente de la biopelícula y su efecto sobre el proceso global de eliminación.
La respirometría en el RH, se realizó en varias etapas, en una primera, se estudió la transferencia de masa interfacial promovida por diferentes soportes comúnmente usados en sistemas de biofiltración. Se estimaron valores para los coeficientes globales de transferencia de masa (KLa) para cuatro soportes, espuma de poliuretano (PUF), bagazo de caña de azúcar, anillos pall y anillos Kaldness, con distintas combinaciones de velocidad superficial en las fases liquida y gas. Para la fase liquida se hicieron variaciones de 3.1 a 11.2 m/h y la fase gas se hizo variar entre 41 y 104 m/h. Para efectuar las respirometrias se seleccionó PUF como soporte, debido a sus propiedades mecánicas y de transferencia de masa interfacial, usando condiciones de operación para el sistema de 7.2 m/h para fase liquida y 89 m/h para la fase gas.
En la segunda etapa se operó el RH con PUF, inoculado con dos consorcios bacterianos sulfurooxidantes adaptados a crecer en condiciones alcalinas (CAS) y neutras (CNS), los consorcios fueron alimentados con tiosulfato y dimetil disulfuro (DMDS).
Para estimar los coeficientes cinéticos, se construyó un modelo matemático simplificado adaptado al RH para que al contrastar los resultados obtenidos en el sistema experimental con los datos generados por el modelo matemático fuera posible ajustar parámetros cinéticos aparentes usando un método de ajuste por minimización del error cuadrático medio entre los valores experimentales y los valores del modelo matemático, con este
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proceso se determinaron valores puntuales para la tasa de consumo de oxigeno (OUR) y el coeficiente de rendimiento (YO/S) para ambos consorcios bacterianos estudiados.
La técnica respirométrica implementada en un proceso de biofiltración de lecho escurrido aerobia puede proporcionar una importante herramienta para la caracterización de los biofiltros en funcionamiento. Aportando una evaluación puntual del transporte de masa interfacial, una identificación de las mejores condiciones hidráulicas en las que se minimizan los efectos de la resistencia a la transferencia de masa y la determinación de los parámetros biocinéticos para cultivos inmovilizados con una manipulación mínima de la biomasa.
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Subíndices
i = componente i
Superíndices
lib = libre res = reservorio in = inicial
Letras griegas
δ = grosor de la biopelícula, m μmax = velocidad especifica máxima de crecimiento, h-^1
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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RESUMEN ............................................................................................................................ iv
NOMENCLATURA.............................................................................................................. vi
ÍNDICE ................................................................................................................................ viii
INDICE DE FIGURAS ......................................................................................................... xi
INDICE DE TABLAS .......................................................................................................... xii
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1
1.1. Contaminación atmosférica ..................................................................................... 1 1.2. Técnicas de tratamiento de aire contaminado .......................................................... 2 1.2.1. Procesos fisicoquímicos de tratamiento. .......................................................... 3 1.2.2. Procesos biológicos de tratamiento. ................................................................. 4 1.3. Modelado matemático del proceso de biofiltración. ................................................ 8 1.3.1. Principales consideraciones de algunos modelos usados en biofiltración. ..... 10 1.3.2. Estimación de parámetros en la biopelícula ................................................... 15 1.4. Técnicas de respirometría. ..................................................................................... 16 1.4.1. Descripción bioquímica de las respirometrías. ............................................... 16 1.4.2. Respirometría de microorganismos en suspensión. ........................................ 16 1.4.3. Respirometría de microorganismos inmovilizados ........................................ 19 1.5. Técnica de respirometría y los modelos matemáticos ........................................... 20
2. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS ........................................................................... 21
Justificación ...................................................................................................................... 21 Objetivo general ................................................................................................................ 21 Objetivos particulares: ...................................................................................................... 22
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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1.1. Contaminación atmosférica
La contaminación del aire puede deberse a un proceso natural u ocasionada por el hombre; aunque recientemente ha habido una tendencia a minimizar la contribución de la contaminación natural y darle un mayor peso a la contaminación debido a los procesos antropogénicos, aunque en realidad la contribución de los procesos naturales no es despreciable, eventos como incendios forestales y erupciones volcánicas emiten importantes cantidades de contaminantes a la atmosfera. Pero ya sea debida a un proceso natural o por la actividad humana la contaminación de la atmosfera se ha incrementado de manera dramática en los últimos cien años llegando a niveles críticos que ponen a la humanidad al borde de una crisis, una prueba de ello es la reciente falta de una estacionalidad climática definida.
El inicio de la contaminación atmosférica por la actividad humana podría tener un origen concreto desde que los seres humanos descubrieron el fuego sin embargo existen dos factores que ponen en duda lo anterior: a) sólo por un periodo relativo corto de tiempo la población humana es lo suficientemente grande y b) la contaminación por la actividad humana en su mayoría está ligada a la etapa de la industrialización.
Desgraciadamente, el control sobre la emisión de los contaminantes no siempre ha sido un tema prioritario aunque exista la tecnología para hacerlo (Stern, 1984). Sin embargo, en años recientes la comunidad científica ha empezado a entender los efectos crónicos del calentamiento global. Los compuestos orgánicos volátiles (COV`s) derivados de la oxidación de combustibles fósiles y otras fuentes de emisión antropogénicas, sirven como fuente para la formación de smog, los compuestos clorados originados de los pesticidas, clorofluorocarbonos (CFC), agotan la capa de ozono, los compuestos derivados del azufré producen malestar, lluvia acida y en altas concentraciones pueden volverse tóxicos, es por ello que tratar de controlar la contaminación atmosférica se ha vuelto un tema prioritario (Devinny y col., 1999).
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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Efectos de la contaminación atmosférica
La contaminación atmosférica tiene efectos dañinos que se pueden clasificar de diferentes maneras, por ejemplo:
Reducción de la visibilidad atmosférica
Interferencia con el clima
Daño a materiales (Deterioro de construcciones, edificaciones corrosión de metales, etc.)
Aumento de malos olores en el aire
Daño a la vegetación así como a la vida en océanos y lagos
Deterioro biológico (efectos patológicos, efectos cancerígenos, etc.).
1.2. Técnicas de tratamiento de aire contaminado
Con la finalidad de evitar y/o revertir los efectos de las emisiones contaminantes se pueden considerar dos formas de control. La primera es un control a las fuentes contaminantes, la cual involucra la emisión de contaminantes sustituyendo materias primas y/o reciclándolas. Este mecanismo implica un cambio en la calidad de los productos o un incremento en los costos de producción. La segunda forma de control involucra el tratamiento de las emisiones gaseosas después de ser producidas que implica una elección de tecnología para controlar la calidad de las emisiones regida directamente por el impacto económico y las limitaciones ecológicas. Dentro de las limitaciones ecológicas se encuentran: La naturaleza del compuesto a tratar, concentración, cantidad de la emisión, modo de emisión de la corriente contaminante (Dullien, 1989).
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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el caso de contaminantes hidrofóbicos una posibilidad de usar solventes orgánicos como aceite de silicón.
Sistemas de membranas.
Este sistema es un proceso complejo consta de una etapa compresión y condensación de la corriente contaminante seguido de una membrana de separación. En la etapa de compresión se alcanzan presiones de 310 kPa a 1400 kPa, esta corriente a alta presión permea a través de la membrana en la que se retiene el contaminante.
1.2.2. Procesos biológicos de tratamiento.
Desde finales del siglo pasado los tratamientos biológicos han encontrado una amplia aplicación en tratamiento de aguas residuales y se han propuesto procesos similares para el tratamiento de corrientes gaseosas. Una de estas tecnologías aplicadas es la biofiltración: consiste en pasar una corriente gaseosa a través de un lecho poroso que contiene a los microorganismos en forma de biopelícula para degradar a los contaminantes (Devinny y col., 1999). Como la mayoría de los tratamientos biológicos, la biofiltración depende de una serie de reacciones metabólicas de los microorganismos para la degradación de los compuestos contaminantes. Bajo condiciones óptimas los contaminantes se degradan a compuestos no contaminantes y biomasa. La necesidad de eliminar crecientes cantidades de compuestos contaminantes gaseosos ha llevado a la comunidad científica a tratar de entender los fenómenos físicos, químicos y biológicos en este tipo de procesos.
Aunque existen diferentes configuraciones de reactores biológicos, debido a sus bajos costos y facilidad de operación, se emplean mayormente en el tratamiento de aire los biofiltros y biofiltros de lecho escurrido (Kim y Deshusses, 2003).
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Biofiltros
Fig. 1. Esquema de biofiltro
En este tipo de dispositivos, el flujo contaminado pasa por un reactor de lecho empacado de material húmedo en el cual existe una biopelícula (Fig. 1). La diferencia con respecto a los biofiltros de lecho escurrido consiste en la ausencia de una fase liquida recirculando continuamente por el lecho empacado del reactor. Sin embargo existe una película de líquido que se encuentra estancada en la biopelícula, esta película de líquido tiene varias funciones las principales son mantener húmedo el lecho empacado, proporcionar medio nutritivo para los microorganismo y/o medio neutralizante para mantener las condiciones apropiadas para sostener a la biopelícula. Se usan principalmente para eliminar olores en plantas de tratamiento de aguas residuales, en plantas de aromas y sabores, así como para eliminar emisiones de suelos contaminados entre otros. (Ortiz y col., 2004).
Aire tratado
Aire contaminado
Humidificador
Lecho empacado
Purga
Adición de nutrientes
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Fig. 2. Esquema de biofiltro de lecho escurrido.
Otro aspecto que es necesario analizar es la capacidad de tratamiento de contaminantes de ambos tipos de tecnologías, en la Fig. 3, se condensa información sobre las capacidades de eliminación de equipos tanto biológicos como físico-químicos. Aun cuando los tratamientos biológicos son una alternativa viable, ecológica, de bajo costo y sustentable, tiene limitaciones de operación como son las concentraciones de tratamiento, capacidad de eliminación y eficiencia en la remoción de contaminantes que hacen deseable trabajar con este tipo de equipos en las mejores condiciones, hidrodinámicas y de crecimiento de biomasa, posibles.
Aire contaminado
Aire tratado
Adición de nutrientes y control de pH
Lecho empacado
Purga
Recirculación de líquido
Uso de respirometrías heterogéneas para estimar coeficientes de transferencia de masa interfaciales y parámetros biocinéticos en biofiltros de lecho escurrido.
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Fig. 3. Rangos de tratamiento para distintos dispositivos (Ortiz y col., 2004)
1.3. Modelado matemático del proceso de biofiltración.
Unificar los conocimientos biológicos, físicos y químicos para el tratamiento de efluentes contaminantes se hace a través de la formulación de modelos matemáticos que procuran describir y predecir el comportamiento de este tipo de sistemas además también sirve como una herramienta para el dimensionamiento y el diseño (Revah y Morgan-Sagastume, 2008). En ingeniería, el modelado matemático está dirigido preferentemente a la simulación de procesos cuya finalidad es la automatización y el control de procesos.
En la construcción de un modelo se consideran los siguientes aspectos de análisis: o Identificación del sistema. o Análisis de las características intrínsecas del sistema: Temperatura, pH, fuerza iónica, concentración de químicos, que modifican la actividad y estabilidad del proceso.
o Determinación de variables de estado, que hacen referencia al comportamiento que el modelo matemático deberá emular. o Determinación de parámetros. Las expresiones matemáticas que relacionan las variables de estado y los parámetros del sistema constituyen las ecuaciones de estado, que describen la evolución del sistema en el
