Viabilidad de un Proceso para la Eliminación conjunta de H2S Y NH3 contenido en Efluentes Gaseosos. Parte 9

Martín Ramírez Muñoz TESIS DOCTORAL UNIVERSIDAD DE CÁDIZ FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente

La presente Tesis ha sido co-dirigida por los Doctores D. Domingo Cantero Moreno, Catedrático de Ingeniería Química y D. José Manuel Gómez Montes de Oca, Profesor Titular de Ingeniería Química de la Universidad de Cádiz, y cumple los requisitos exigidos por la legislación vigente.
Fdo.: Dr. D. Domingo Cantero Moreno Fdo.: Dr. D. José Manuel Gómez Montes de Oca
Fdo.: Dr. D. José María Quiroga Alonso
Director del Dpto. de Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y Tecnologías del Medio Ambiente
Universidad de Cádiz

4.1.3.4.Determinación de la capacidad de eliminación máxima de degradación biológica

Es muy importante conocer cuál es el valor máximo de la capacidad de eliminación (ECmax) de nuestro sistema para llegar a determinar el valor límite de eliminación. Para realizar esta experiencia y saber cuánto es capaz de eliminar nuestro sistema, se empleó un tiempo de residencia del gas de 150 segundos, valor muy por encima del rango normal de trabajo. Los tiempos de residencia están normalmente en torno a 30 segundos, aunque hay trabajos realizados a tiempos de residencia muy bajos (1,6 segundos utilizado por (Gabriel and Deshusses 2003). Se seleccionó el valor de 150 segundos para intentar minimizar los fenómenos de limitación de transferencia de masa del contaminante de la fase gas a la líquida y de la fase líquida a la biopelícula (microorganismo).

La concentración de sulfato se mantuvo por debajo de 5 g l-1, ya que como se ha demostrado en apartados anteriores, por encima de este valor los fenómenos inhibitorios por la acumulación del producto de oxidación son considerables. El caudal de recirculación fue de 308 ml min-1 y el pH se mantuvo dentro del rango óptimo de trabajo entre 7,1 y 7,2. Con objeto de disponer de datos suficientes para el modelado cinético, se realizaron medidas de la concentración de ácido sulfhídrico a lo largo de la columna en 5 puntos de toma de muestras, a alturas de 0,060; 0,130; 0,205; 0,275 y 0,354 metros.

La concentración de entrada se fue incrementando desde 93,7 ppmv hasta 1778,8 ppmv, que se corresponden a valores de cargas de alimentación desde 2,89 gS m-3h-1 hasta 54,98 gSm¯3h¯1. Considerando la altura total del biofiltro, si se realizan los cálculos de los porcentajes de eliminación y de las capacidades de eliminación a la salida del biofiltro, se obtiene que para valores de carga de hasta 14,9 gS m-3h-1 (484 ppmv) tenemos un porcentaje de eliminación por encima del 99,8%, a partir de esta carga el porcentaje de eliminación empieza a disminuir, obteniéndose valores del porcentaje de eliminación mayores del 95% para cargas por debajo de 30 gS m-3 h-1 (971 ppmv H2S). La capacidad máxima de eliminación alcanzada fue de 43,9 gS m-3h-1 para la carga de alimentación de 54,98 gS m-3h-1 (79,8% de eliminación).

En la Tabla 10, se han representado los valores de las concentraciones medidas a las distintas alturas del biofiltro.

En la Figura 52 están representados los valores del porcentaje de eliminación y de la capacidad de eliminación a la salida del biofiltro, frente a la carga de entrada (la línea recta representaría el 100% de eliminación).

Si suponemos una cinética de consumo de sustrato tipo Monod, al realizar un balance de materia a un elemento diferencial de volumen, se puede obtener la siguiente ecuación4:

Por tanto, si se calculan los valores de la concentración media logarítmica y de la capacidad de eliminación se pueden obtener los valores de las constantes cinéticas Vmax y Km, mediante linealización de la ecuación anterior.

En la Tabla 11 se muestran los valores experimentales de las concentraciones de ácido sulfhídrico de entrada y salida (C0 y Cs), de la carga de alimentación (L), de la capacidad de eliminación (EC) y la concentración media logarítmica (Cln), así como los valores calculados por el modelo para la concentración de salida (CS), concentración media logarítmica (Cln), porcentaje de eliminación (R) y capacidad de eliminación (EC).

Con los datos experimentales, se realizó el ajuste y se obtuvieron los siguientes valores de las constantes cinéticas (Tabla 12):

El valor de la capacidad de eliminación máxima según el modelo sería de 56,7 gS m-3h-1, aunque experimentalmente el valor máximo alcanzado fue de 43,9 gS m-3h-1.

Conocido los valores de Vmax y Km, podemos obtener el valor de la concentración de salida para cualquier concentración de entrada. El procedimiento de cálculo es un proceso iterativo, ya que en la ecuación el valor de la concentración es la media logarítmica y se necesita el valor de la concentración de salida. El procedimiento iterativo ha sido el descrito en la Figura 53.

En la Figura 54, se han representado los valores experimentales frente a los calculados por el modelo.

Como se puede observar el grado de ajuste del modelo es bastante bueno, por lo que puede predecirse cuál va a ser la concentración de salida. El modelo resulta menos apropiado cuando trata de predecir como varía la concentración a lo largo de la altura del biofiltro, ya que los valores de las constantes Vmax y Km son válidos sólo para la altura total del biofiltro. En realidad son constantes cinéticas aparentes, fuertemente influenciadas por las variables hidrodinámicas de la columna. Si se realiza un estudio semejante con las concentraciones a las distintas alturas de la columna, se obtienen los siguientes valores (Tablas 13, 14, 15 y 16):

De las Tablas anteriores, de forma análoga a como se hizo para el caso de la altura total del biofiltro, se pueden calcular los valores de Km y Vmax en función de la altura, siendo éstos los que se representan en la siguiente Tabla: 17

Tal y como se comentó anteriormente, se observa una variación de las constantes Vmax y Km a lo largo de la altura de lecho, por lo que se puede confirmar que ambos valores son realmente constantes aparentes. Según la ecuación de degradación biológica que se supuso en el modelo se tiene que:

Estos dos valores de Vmax y Km son constantes intrínsecas del microorganismo, los valores más aproximados de estas constantes las podríamos obtener en un cultivo sumergido, donde la concentración de sustrato fuese homogénea; pero en el caso que nos ocupa, las concentraciones que estamos midiendo de H2S no se corresponden con la concentración de H2S disponible para el microorganismo en la biopelícula; por tanto los valores que se obtienen son constantes aparentes, estando su valor fuertemente influenciado por las condiciones hidrodinámicas de la columna.

Se puede observar que se produce una disminución de Vmax y Km a medida que aumenta la altura del lecho. Esta disminución se justifica porque a medida que aumenta la altura del lecho desciende el valor de la concentración media, y por tanto, el gradiente de concentración disminuye, que provoca un descenso en la transferencia de materia y los valores de las constantes aparentes.

En la Figura 55, se representan los valores experimentales de la capacidad de eliminación frente a la concentración media logarítmica experimental y la calculada por el modelo.

Fig 55. Capacidad de eliminación frente a concentración media logarítmica. Valores experimentales y predichos por el modelo (rectas) a distintas alturas. EBRT 150 s Desde el punto de vista del diseño, es muy importante poder disponer de una relación empírica que permita calcular el valor de las constantes cinéticas a cualquier altura de columna.

Para ello se realizaron distintos tipos de regresiones lineales, encontrándose un buen ajuste mediante un modelo de ajuste multiplicativo (Modelo potencial y=a·xb) (Figura 56).

El coeficiente de regresión lineal (r2) para el ajuste fue de 0,986 y 0,975 para Vmax y Km, respectivamente. Por tanto, es posible obtener los valores de Vmax y Km en función de la altura utilizando las siguientes ecuaciones:

Si calculamos las constantes cinéticas mediante las ecuaciones anteriores en función de la altura del biofiltro, podemos obtener la concentración a cualquier altura de la columna y, por tanto, el porcentaje de eliminación. En la Figura 57, se han representado los valores de los porcentajes de eliminación experimentales y ajustados por el modelo.

El modelo supone una distribución de la biomasa y del soporte a lo largo del lecho es homogénea. En realidad, las concentraciones de biomasa son más altas en la parte inferior del biofiltro, ya que la concentración de sustrato es más alta y, por tanto, las velocidades de crecimiento del microorganismo son mayores que a la salida del biofiltro, donde ya se ha agotado el sustrato. Con respecto a la distribución del soporte, teníamos una altura de 0,354 m relleno de cubos de espuma de 1 cm. de lado; a lo largo de la operación de biofiltro fue imposible evitar la compactación por el peso del soporte, ya que el soporte tiene una capacidad de absorción de agua muy alta que hace que aumente su peso específico y, por tanto, se produzca una compactación por peso de las espumas; este fenómeno se podría haber minimizado estratificando en platos el biofiltro.

Por tanto la conjunción de estos dos fenómenos de compactación y mayor cantidad de biomasa en la parte inferior puede ser la responsable de tener unos valores muy altos de eliminación y por tanto de Vmax en la primera altura de toma de muestra, y que la dependencia de los valores de las constantes cinéticas disminuyan de forma potencial al aumentar la altura.