Aereación 5a2q42

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Capítulo 1 6

Alfredo Barroso

Aereación

C.i: 20 875.912

La aereación es el proceso mecánico por el cual se procura un o íntimo del aire con el agua. Aplicada al tratamiento de agua, la aereación transfiere moléculas gaseosas, principalmente oxígeno, del aire (fase gaseosa) al agua (fase líquida). Aunque a menudo la meta es disolver oxígeno en agua, la aereación incluye también la remoción del agua de gases indeseables, como CO2 y metano; este proceso se cita algunas veces como desgasificación. La aereación está casi siempre acompañada de otros procesos o reacciones, que pueden ser de naturaleza física, química o bioquímica. La tabla 16.1. da un panorama de estos procesos con los objetivos comunes y los resultados de la aereación del agua y del agua de desecho. Con mucho, el mayor uso del equipo de aereación se encuentra en el campo de la oxidación bioquímica de desechos orgánicos, domésticos o industriales. Pero la aereación también se usa ampliamente para la oxidación de impurezas inorgánicas como, por ejemplo, hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno, y para la remoción u oxidación de impurezas volátiles causantes de olor o mal sabor. La aereación cuyo objetivo es aumentar sólo el contenido de oxígeno en el agua se lleva a cabo algunas vecesen el último paso en una planta de tratamiento de agua o de desecho.

MECANISMO DE AEREACION Como gas, el oxígeno es ligeramente soluble en agua. A 20º C y al nivel del mar, la concentración de saturación es sólo de 9.5 mg/l. A esta concentración, representa sólo el 0.00095% del peso del agua. Pero esta concentración, cuando se libera como gas, ocupa 6.7 ml, ó 0.67%, del volumen de! agua que lo contenía. Para pasar la solubilidad del gas de peso a volumen, utilícese ⁄

TABLA 16.1 Procesos de aereación en el tratamiento de agua yagua del desecho Reacciones simultaneas o Proceso

consecutivas

Resultados

Ejemplos

Aereación

Ninguna

Aumento en el contenido de

Oxigenación de corrientes.

Oxígeno disuelto.

Post-aereación del efluente de una planta de aguas negras.

Desgasificación

Aereación

Aumento en el contenido de

Remoción del Co2, H2S,

oxígeno disuelto;

metano, sabor y olor.

desplazamiento de impurezas gaseosas o volátiles. Aereación

Oxidación Química

Oxidación de impurezas

Remoción del Fe. Mn, H2S.

Inorgánicas; aumento en el contenido de oxígeno disuelto. Aereación

OxidaciónBioquímica.

Remoción de las impurezas

Remoción de la D BO en el

orgánicas por digestión

tratamiento de aguas negras.

Bioquímica.

Corno es el caso de la mayor parte de los gases, la solubilidad del oxígeno en el agua es inversamente proporcional a la temperatura. Las concentraciones de sólidos disueltos también afectan a OD. La tabla 16.2 muestra la solubilidad de oxígeno a diferentes temperaturas, elevaciones (que afectan a la presión atmosférica) y niveles de sólidos disueltos. Como sugieren estos datos los valores de saturación para el oxígeno en un agua particular deberán ser determinados por pruebas de aereación. Aunque no es necesario obtener igual número de datos que los mostrados en la tabla 16.2, es necesario establecer la relación (factor beta) entre los niveles de saturación del oxígeno en un agua específica y en agua pura a igualdad de temperatura y de presión.

TABLA 16.2 Solubilidad del O2 en agua fluida por la temperatura, la elevación y la salinidad. Temperatura

Evaluación, pies

Salinidad ml/l*

ºF

ºC

0

1000

2000

5000

400

2500

32 50 68 86

O 10 20 30

14.6 11.3 9.2 7.6

14.1 10.9 8.8 7.4

13.6 10.5 8.5 7.1

12.1 9.4 7.6 6.4

14.55 11.25 9.16 7.57

14.25 11.00 8.97 7.40

Estos valores de solubilidad del O2, corresponden al nivel del mar.

PRICIPIOS DE TRANSFERENCIA DE GAS La aereación desarrolla en tres pasos separados: (1) Ei aire se pone en o íntimo con el agua por exposición de una superficie de gran área. Esta se genera mecánicamente en forma de innumerables gotas o pequeñas burbujas dependiendo del tipo de aéreador empleado. (2) Las moléculas de gas pasan través de esta superficie a la fase líquida. El gas debe pasar a través de una barrera delgada en la superficie líquida, una película líquida, antes de que llegue al grueso dela fase líquida. El líquido qué se encuentra por debajo de la película llega rápidamente a saturarse con oxigeno (3) Las moléculas de gas se difunden alejándose de la película liquida hacia el grueso del líquido hasta que la saturación es completa.

Es obvio que una gran superficie y condiciones turbulentas, que rompen la película líquida y agitan el grueso del líquido, aumentan la velocidad de transferencia. La velocidad de transferencia del oxígeno al cuerpo del líquido está expresada matemáticamente por la ecuación de transferencia global.

Esta expresa que el cambio respecto al tiempo de la concentración de oxígeno, dc/dt, es igual al coeficiente de transferencia, KLa, multiplicado por la deficiencia de oxígeno en el líquido. La deficiencia de oxígeno es la diferencia entre la concentración de saturación, Cs y la concentración de oxígeno que

prevalece en el agua, C en rng/I. La ecuación anterior puede escribirse en la forma:

cuya integral es

insertando los limites

donde Cs = Concentración del oxígeno en saturación C0= Concentración del oxígeno en el instante cero Ct = Concentración del oxígeno en el instante t Un gráfico semilogaritmico de Cs-Ct en función del tiempo será una línea recta con una pendiente igual a KL a. Ya que las concentraciones de saturación del oxígeno dependen de la temperatura, de la presión y de los sólidos disueltos y de su naturaleza la velocidad de transferencia del oxígeno al agua dependerá también de estas variables. Para emplear la ecuación con propósitos de diseño, es necesario llevar a cabo pruebas de aereación y. graficar la captación de oxígeno en función del tiempo. Cuando las diferencias entre los niveles de saturación y las concentraciones reales de oxígeno se grafican en función del tiempo en un papel semilogarítmico, la pendiente de la línea es igual al coeficiente de transferencia global, KLa (Fig. 16.1). Un ejemplo de tal colección de datos y graficado se muestra en la tabla 16.3.

EQUIPO En el tratamiento de agua dulce los aereadores por gravedad y los aereadores por rocío han sido tradicionalmente usados para remover hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno. Las técnicas de aereación desarrolladas para el tratamiento de

aguas de desecho son aplicables también al agua dulce, aunque Ios requerimientos de capacidad son por Io general mucho mayores. Los aereadores por gravedad o en cascada se asemejan a menudo a torres de enfriamiento, ya Que el agua es bombeada por la parte superior y se la hace caer en cascada sobre unas tabletas de madera hasta que son recogidas en un pozo o estanque. El aéreador de aspiración forzada es semejante a una torre de enfriamiento en cuanto a que se fuerza aire hacia arriba contra un flujo de agua sobre tabletas de madera. El aéreador empacado de coque, también una unidad de flujo por gravedad es popular en las instalaciones de remoción de hierro y de manganeso en virtud de su simplicidad.

Manual del agua. Su naturaleza, tratamiento y aplicaciones

TIEMPO DE AEREACION m.n FIgur8 16.1 Gráfica de la deficiencia de oxígeno en función del tiempo.

En el área de tratamiento de agua de desecho, se requieren mayores capacidades y eficiencias elevadas. Los tipos de equipo más ampliamente empleados son: aereadores por difusión, aereadores por superficie (de velocidades alta y baja) y aereadores de' turbina sumergida.

En la aereación por difusión o sumergida, el aire es forzado a través del difusor, liberando pequeñas burbujas cerca del fondo del recipiente de aereación. Esto establece un buen o entre el oxígeno y el agua a una presión mayor que la atmosférica. Crea una gran entrecara líquido-gas y produce burbujas de diámetro pequeño a través de los pequeños poros del difusor (Fig. 16.2).

Las eficiencias y los requerimientos de potencia para los aereadores sumergidos están íntimamente relacionados con' el tipo de difusores empleados. Estos pueden ser porosos, no porosos, o de tubo perforado. El tipo de difusor utilizado se selecciona sobre la base de las características de la transferencia del oxígeno y de los requerimientos de mantenimiento.

Los difusores del tipo poroso han encontrado un uso mayor en, los sistemas de tratamiento de desecho municipal que emplean un tratamiento convencional con lodo activado. Pueden lograrse eficiencias para las transferencias de oxígeno tan elevadas como 10-12%. El problema mayor es la tendencia al atascamiento del lado del aire; el atascamiento del lodo del agua puede ser también un problema si se deja a las unidades en el licor sin sangrar aire del sistema.

Los difusores no porosos no se atascan tan fácilmente del lado del aire. Sin embargo las eficiencias para la transferencia de oxígeno (o sea, la relación del oxígeno absorbido respecto al oxígeno aplicado por el aire bajo presión que pasa por el difusor) puede alcanzar del 4 al 8%. Esto significa que los requerimientos de potencia pueden ser tan elevados o mayores que los que se tienen con difusores porosos. Los difusores no porosos están construidos por lo común con toberas o placas con orificio hechas de metal o de plástico.

El tipo más simple de difusor de aire es un tubo perforado que yace en el fondo del recipiente de aereación. Este arreglo se emplea en estanques o en tanques estrechos de aereación.

TABLA 16.3 Prueba de aeración y cálculos muestra para la determinación del factor alfa.

EQUIPO DE AEREACION: Aéreador de difusión; el difusor está colocado a 12 pies por debajo de la superficie. TEMPERATURA: 68·F, 20"C. ELEVACION: 1000 pies sobre el nivel del mar PASO 1: Pruebas de aereación Agua Lecturas del oxígeno disuelto, mg/l. basadas en OD saturado de 8.8 mg/l: Tiempo 0 20 40 60 80 100 OD 0 3.8 5.4 6.5 7.2 Déficit 8.8 5.0 3.4 2.3 1.6 1.6 7.2 Gráfica semilog del déficit contra el tiempo, (Fig. 16.1) 7.2 1.6 La pendiente de la línea recta es igual a KLa para el agua Desecho Desecho aereado en el mismo equipo que el agua, a 25ºC Lecturas del oxígeno disuelto y déficit contra el tiempo, minutos, suponiendo que a las 6 horas se alcanza la saturación

PASO 2: PASO 3:

Tiempo 0 20 40 60 80 100 OD 0 2.7 4 4.8 5.5 1.6 4.3 3 5.5 Déficit 7.0 2.2 1.5 1 1.5 Gráfica semilog del déficit contra el tiempo, (figura 16.1). 6.0

La pendiente de la línea recta es igual a KLa Para convertir KLa25, a KLa20 se use la relación

Para el agua a 20ºC

Para el desecho a 25"C

Los aéreadores del tipo de superficie mecánica han aumentado su popularidad, especialmente en las plantas de tratamiento de desechos, industriales. Mientras que los aéreadores sumergidos ponen al aire en o con el agua, los aéreadores de superficie operan del modo inverso, ya que ponen en o al agua con la atmósfera. Tales aéreadores levantan realmente grandes volúmenes de agua sobre la superficie y exponen pequeñas gotitas de líquido a la atmósfera (Fig. 16.3), Básicamente, un aéreador de superficie es un impulsor accionado por motor colocado en o por debajo de la superficie del líquido, montado en soportes fijos o sobre pontones anclados al recipiente de aereación. Algunas veces se usa un tubo de aspiración para mejorar la capacidad de bombeo. Se emplean dos diseños de impulsores, de corriente ascendente y de aspas tipo de placa. El impulsor de corriente ascendente mueve grandes volúmenes de agua hacia arriba mientras que el aéreador de placa hace que el agua sea dispersada hacia afuera. Un dispositivo para aereación que combina el diseño de superficie con el sumergido se emplea algunas veces en unidades diseñadas para grandes cargas; están

equipadas

con

un

difusor

localizado

en

el

fondo

del

tanque de aereación con un impulsor inmediatamente encima de éste. Esta combinación puede transferir más oxígeno por unidad de volumen que cualquier otro dispositivo. Se aplica por lo común a tanques profundos, aunque se complica

el

mantenimiento,

ya

que

se

requiere

un

soporte

permanente en el fondo. En la figura 16.4 se muestran las instalaciones típicas y patrones de flujo tanto de aéreadores sumergidos como de aéreadores de superficie y combinados.

Figura 16.2 Difusores de aire en una planta municipal de tratamiento de aguas negras. Los montajes del difusor pueden retirarse como en el recipiente de la derecha para mantenimiento y para evitar atascamiento cuando el depósito se encuentra fuera de servicio. (Cortesía de FMC Corporation.}

Figura 16.3 Detalles de la construcción un aéreador, de superficie de posición fija conformado para producir un bombeo de grandes volúmenes y arrastre de aire (Cortesia de Infilco Degremont lnc.)

(a)

(b)

(c)

Figura 16.4 Patrones de flujo para (a) aire difundido. (b) aereación mecánica y (c) sistemas combinados de turbina y anillo difusor. (De Chemical Engineering, abril 17, 1972, pág. 27.)

Figura 16.5 Rotores horizontales con vainas radiales hacen circular y aérean agua de desecho en estos fosos de oxidación; (Cortesía de Lakeside Equipment Company.}

El aéreador de cepillo, también una unidad de superficie, transfiere oxígeno al ofrecer una película líquida sobre una superficie bañada, Esta unidad se presta para la aereación de corrientes o fosos de oxidación. Montado en un nivel fijo, genera una turbulencia moderada y acción de bombeo, con algún rocío del líquido de los elementos giratorios (Fig. 16:5). Un resumen de las velocidades de transferencia de oxígeno de diferentes tipos de aéreadores se muestra en la tabla 16.4. EVALUACION DEL TAMAÑO DEL EQUIPO DE AEREACION

Excepto en los casos de desgasificación, los requerimientos para la aereación son una función del grado de la deficiencia de oxígeno en .el agua y de las reacciones consumidoras de oxígeno que se efectúan; De los ejemplos citados en la tabla 16.1, la oxidación del hierro y del manganeso requiere muchos menos oxígeno sobre la base de una Libra por l000 galones, que la oxidación bioquímica de material orgánico (DBO). Además, las concentraciones de DBO en agua de desecho tanto industrial como municipal son por lo general mucho mayores que la concentración de hierro y de manganeso hallada en aguas naturales. Por

consiguiente, los requerimientos de capacidad de aereación para la remoción de la DBO exceden con mucho los de cualquier otra 'reacción que consuma oxígeno. La oxidación tanto del hierro como del manganeso se efectúa más fácilmente a un pH por encima de 8. Teóricamente, 1.0 mg/l de O 2 oxida alrededor de 7 mg/l ya sea de Fe+2 o. de Mn+2. La oxidación de estos metales requiere que la concentración de oxígeno aumente hasta cerca de la saturación. Los requerimientos de oxígeno para los procesos de oxidación bioquímica (remoción de la DBO) están bien establecidos para aplicaciones municipales. Cuando no se incluyen desechos' industriales en Olas aguas negras, la capacidad de aereación es en forma estricta una función de las cargas y del tipo de tratamiento· que se aplique. Algunas plantas proporcionan una mayor o menor capacidad de aereación, según el grado en que el lodo sea aereado y la cantidad de desnutrificacíón requerida. En las aplicaciones industriales, como en la municipal, los requerimientos de aereación son funciones de las cargas de DBO y del grado de oxidación del lodo. Sin embargo, otros factores como las variaciones en las cargas y la composición del desecho pueden también demandar diseños con mayor capacidad de aereación. Por lo común se requieren estudios a nivel piloto. . TABLA 16.4 Resumen de las capacidades del aereador.

Tasas típicas Lb de O2 /c de f-hr Aereadores sumergidos Difusores porosos Difusores no porosos Aereadores de superficie Placa Turbina Propulsor Aereadores Combinados

4 1.5 2.0 – 2.5 3.0 – 3.5* 2.5 – 3.5 2-3

Las velocidades de transferencia de oxígeno de los dispositivos de aereación se expresan en libras de oxígeno por caballo de fuerza por hora. Los requerimientos de caballo de fuerza del aéreador pueden calcularse una vez que se conocen la carga, las velocidades del flujo y los requerimientos de subida de oxígeno. A continuación se muestran algunos ejemplos de tales cálculos.

Dimensionamiento del equipo de aereación Para aplicaciones simples de la aereación, los requerimientos de caballos de potencia están expresados por:

donde Q = flujo, mgd d = densidad del líquido, 8.34 lbs/gal para el agua L = cargas o demanda de oxígeno en mg/l q=velocidad de la transferencia de oxígeno en lbs de O2/c de p-hr Ejemplo: Para adicionar 6 ppm de oxígeno disuelto a una corriente de agua que fluye a 2.5 mgd usando un dispositivo aereador que tiene una velocidad de transferencia equivalente a 2.0 lbs de oxígeno/c de p-hr, los requerimientos de potencia de entrada serán:

La misma ecuación puede emplearse para la oxidación bioquímica de DBO soluble. Ejemplo: Para la oxidación de 240 ppm de DBO en una planta de aguas negras con 15 mgd, empleando un equipo de aereación con capacidad de 2.5 lbs de oxígeno/c de p-hr, los requerimientos de potencia de entrada serán:

En la práctica, por razones de requerimientos de oxidación de lodo y factores de diseño de seguridad global, puede proporcionarse una capacidad extra del 50% superior a la requerida por DBO soluble. Consideraciones semejantes se aplican a las instalaciones industriales.