PRÀCTICA 1: BALANÇ MACROSCÒPIC DE MATÈRIA EN ESTAT NO ESTACIONARI

Esquema de la instal·lació utilitzada per la pràctica

Gràfic 1. Absorbància en dels dos tancs respecte el temps

Taula 1. Concentració i absorbància per fer la recta patró

Gràfic 2. Recta patró del colorant

On y és absorbància i x concentració en ppm

A partir de la funció de la recta patró podem saber les concentracions de sortida en cada minut en què haguem extret una mostra, de manera que ;

Gràfic 3. Concentració del colorant respecte el temps en els dos tancs

Balanç de Matèria en estat no estacionari sense reacció;

Qe · Ce =  Qs · Cs + d ( V· C )

dt teòricament

el volum no varia

Qe · Ce =  Qs · Cs + V d C + C dV

dt dt

4,7 ml/seg.· 0 mg/ ml = 4,7 ml/seg. · Cs+ 4300ml · dCi/dt

Cal dir que la concentració al interior del tanc és la mateixa que la concentració a la sortida ja que es tracta d'un tanc perfectament agitat. Llavors; Cs = Ci = C

0 mg/seg. = 4,7 C ml/seg + 4300ml dC/dt

-4,7 C ml/seg = 4300 dC / dt

t = [ 914,89 ln (-4'7 C)]C4,29

El límit de la funció en la concentració és 4,29 ja que agafem la concentració inicial experimental

C= (20,163 et/-914,89)/4,7

Si comparem aquesta gràfica amb la de la concentració experimental del tanc 1;

Temps de residència hidràulic teòric:

TRH = Volum/Cabal

TRH = 4300 ml/4,7 ml/seg. = 914,89362 segons, aproximadament 15 minuts.

Les diferències observades entre el comportament teòric de 15 minuts i el resultat obtingut de 40 minuts a la pràctica es deu a la suma d'errors. Per una banda, havíem d'anar controlant el cabal ja que era irregular durant la pràctica a causa de la metodologia, tot i que s'ha anat controlant, i per altra banda, a l'hora de calcular el temps de residència hidràulic hem hagut de mesurar el cabal, comptant el temps que trigava a omplir-se una proveta de 100 ml i ens pot haver comportat un error de mesura. A més, per determinar la concentració en cada tanc, extrèiem una mostra cada 2 minuts, per tant, també hem pogut tenir errors ja que trigues uns segons en agafar la mostra mentre la concentració va variant.

Si augmentéssim el cabal, la concentració de bromocrosol del primer tanc disminuiria més ràpidament, i la del segon, primer augmentaria ràpidament ja que li arriba del primer tanc, i després eliminaria el bromocrosol més ràpidament que amb el cabal que hem emprat.

Si estiguéssim en estat estacionari la concentració de sortida del segon tanc seria igual a la concentració d'entrada del primer.

Balanç de matèria individual;

E + G = S + A

G: és un sistema sense reacció, per tan G = 0

A: és un sistema en estat estacionari, per tan A= 0

E = S

Qe · Ce =  Qs · Cs

Tenim volum constant, és a dir, el cabal d'entrada és igual al cabal de sortida, llavors;

Qe = Qs ; Ce= Cs

La concentració d'entrada seria la concentració de sortida.

Si enlloc del bromocrosol utilitzéssim sal per a fer la pràctica ens seria més difícil, primer de tot perquè la sal es dissol i per tan no és visible i no sabríem com s'està duent a terme el procés i en quin punt es troba cada moment. Tanmateix l'experiment també hauria de sortir bé, hauríem de fer una recta patró mitjançant dilucions de sal i la seva absorbància. Usant el mateix mètode, cada 2 minuts agafaríem una mostra i en mesuraríem l'absorbància, fins que aquesta sigues 0.

PRÀCTICA 2. ELIMINACIÓ DE COLORANTS

Gràfic 1. Recta patró del colorant negre d'eriocrom

Abs = 0,0145 [ ] + 0,0199

R2 = 0,9992

Gràfic 2. Recta patró del colorant verd de malaquita

Abs = 0,0983 [ ] - 0,0046

R2 = 0,9997

A partir de les rectes patró podrem determinar les concentracions de colorant al inici i al final de cada tractament d'eliminació de colorants;

Al inici les concentracions són;

Colorant negre d'eriocrom:

Absorbància: 0,514

Abs = 0,0145 [ ] + 0,0199

0,514 = 0,0145 [ ] + 0,0199

[ ] = 34,1 ppm

Colorant verd de malaquita:

Absorbància: 0,859 A

Abs = 0,0983 [ ] - 0,0046

0,859 = 0,0983 [ ] - 0,0046

[ ] = 8,78 ppm

Tractament 1. Precipitació físico-química:

Colorant negre d'eriocrom:

Absorbància: 0,001 A

Abs = 0,0145 [ ] + 0,0199

0,001 = 0,0145 [ ] + 0,0199

[ ] = -1,3 ppm

El resultat indica que no tenim colorant a la mostra.

Colorant verd de malaquita:

Absorbància: 0,461 A

Abs = 0,0983 [ ] - 0,0046

0,461 = 0,0983 [ ] - 0,0046

[ ] = 4,74 ppm

En aquest cas continuem tenint concentració del colorant.

Tractament 2. Carbó actiu

Colorant negre d'eriocrom:

Absorbància: 0,511 A

Abs = 0,0145 [ ] + 0,0199

0,511 = 0,0145 [ ] + 0,0199

[ ] = 33,87 ppm

Desprès del tractament continuem tenint el colorant

Colorant verd de malaquita:

Absorbància: 0,018 A

Abs = 0,0983 [ ] - 0,0046

0,018 = 0,0983 [ ] - 0,0046

[ ] = 0,23 ppm

Pràcticament no tenim colorant a la mostra.

El rendiment en el tractament de precipitació físico-química en el cas del colorant de negre d'eriocrom és del 100%, s'elimina tot el colorant. En cas contrari, el verd de malaquita en aquest tractament té un rendiment de gairebé el 46 %, és a dir que amb aquest tractament no aconseguim eliminar el colorant de verd de malaquita

El rendiment en el tractament del carbó actiu en el cas del colorant de negre d'eriocrom és de 0,6 % , això significa que aquest tractament no és capaç d'eliminar el colorant de negre d'eriocrom , per altra banda, el colorant verd de malaquita s'elimina en un 97,38%, és a dir, aquest tractament és més efectiu que el anterior per a aquest colorant.

Vistos els resultats, el tractament a aplicar per a l'eliminació del color seria el primer, ja que ens eliminaria totalment el negre d'eriocrom i pràcticament la meitat del verd de malaquita, mentre que el segon tractament (carbó actiu) només ens pot eliminar el verd de malaquita.

PRÀCTICA 3. BALANÇ D'ENERGIA CALORÍFICA EN ESTAT NO ESTACIONARI

Gràfic 1. Evolució experimental de la temperatura de l'aigua de sortida

Si fem el balanç d'energia teòric obtindrem una equació de la temperatura en funció del temps;

q + w = m ( z g + h + ½ v2 ) + M Cp dT/dt

on;

q ; calor que provoca la resistència = 300 w

m ; cabal màssic = Q· densitat = 4,35·10-3 kg /s

h; Cp·T = 4184 J/kg ºC · (T - 16)

M; massa d'aigua al interior del tanc; 4,3·10-3 m3 · 1000kg/m3 = 4,3 kg

q= m h + M Cp dT/dt

q= m CpT + M Cp dT/dt

300 w = 4,35·10-3 kg /s · 4184 J/kg ºC · (T - 16) +4,3 kg ·4184 J/kg ºC · dT/dt

300 w = 18,2 T - 291,2 + 179991,2 dT/dt

179991,2 dT

dt =

591,2 - 18,2 T

179991,2 dT

" dt ="

591,2 - 18,2 T

Els límits de la integració seran de 0 a t per a dt i de 16 a T

La funció que obtenim és

T= (300 e-t/988,52-591,2) / -18,2

Segons aquesta funció, l'evolució de la temperatura segons el temps seria:

És a dir, teòricament, al minut 30 (1800 segons) la temperatura ha d'assolir 29 ºC, mentre que experimentalment arribem als 28,6. Això és degut a que al minut 10(600 segon) hem parat la resistència i per tant el tanc ha estat uns minuts sense cap aportament de calor.

Si comparem les dues gràfiques ho veurem millor:

Pel refredament també calcularem la funció;

q + w = m ( z g + h + ½ v2 ) + M Cp dT/dt

en aquest cas, però,no tenim q , ja que hem extret la resistència de l'interior del tanc.

0= m h + M Cp dT/dt

0= m CpT + M Cp dT/dt

0 = 4,35·10-3 kg /s · 4184 J/kg ºC · (T - 16) +4,3 kg ·4184 J/kg ºC · dT/dt

0= 18,2 T - 291,2 + 179991,2 dT/dt

179991,2 dT

dt =

291,2 - 18,2 T

179991,2 dT

" dt ="

291,2 - 18,2 T

Ara els límits de la integració són diferents per part de la temperatura, prendrem com a primera temperatura la del minut 31, 27,8ºC

T= (-214,76 e-t/988,52-291,2) / -18,2

El gràfic que ens queda si apliquem aquesta funció des de temps 0 a temps 1800 segons;

Si comparem aquest gràfic teòric amb el gràfic experimental que hem obtingut en la realització de la pràctica;

Observem que tan sols hi ha una petita variació que és deguda a què hem parat l'agitador, és a dir que el tanc no estava perfectament agitat i per tan la temperatura al interior era diferent depenen de la zona del tanc en què es prengui la mesura. Tot i això la temperatura teòrica s'ajusta molt a la experimental.

Si augmentéssim el cabal de circulació ( m ) la temperatura de l'aigua tardaria més a pujar ja que no tindria prou temps de residència per escalfar-se.

Si no hi hagués entrada ni sortida d'aigua m seria 0 i per tant tot el terme que el multiplica esdevindria 0, és a dir;

q = M Cp dT/dt

300 w = 4,3 kg · 4184 J/ kg ºC· dT/ dt

0,0167dt = dT

La temperatura podria arribar als 46 ºC en 30 minuts. Així doncs, quan més lent és el cabal més es pot escalfar l'aigua.

En el cas que fos estat estacionari el darrer terme de l'equació seria 0;

q= m·Cp·T

300 = 4,35·10-3kg/s · 4184 J/kg ºC ·(T -16)

T = 32,48 ºC

Això vol dir que, quan hem desendollat la resistència, si haguéssim estat en l'estat estacionari hauríem arribat al 88,05% de la temperatura possible a assolir.

PRÀCTICA 4. TRACTAMENT BIOLÒGIC D'AIGÜES RESIDUALS - ESTUDI EN PLANTA PILOT

Paràmetre	Licor Mescla (reactor)	Entrada (influent)	Sortida (efluent)	% eliminació
pH	7,31	6,89	7,03
Conductivitat (S)	2280	2280	2030
Temperatura	21,6	20,5	21.2

Taula 1 . Els valors s'han trobat mitjançant els aparells de pH i sonda

Paràmetre	Licor Mescla (reactor)	Entrada (influent)	Sortida (efluent)	% eliminació
ºC	21,6	20,5	21,2
OD (mg O2/l)	2,3	0,53	3,89
DQO (mg O2/l)		586,08	23,76	95,94
SST (mg/l)	4,4 · 10-3	2 ·10-4	0
SSV (m/l)	4 · 10-3	/	/
SSV/SST	0,91	/	/

Taula 2. Els valors de la DQO, SST i SSV els hem hagut de calcular.

Els càlculs es troben a l'annex 1

El fet de aportar oxigen al reactor biològic és una semblança al tractament secundari de les EDAR. El tractament secundari està relacionat amb mecanismes biològics de depuració d'aigües, pretén eliminar la matèria orgànica col·loïdal produint biomassa que s'aniran traient en forma de fangs activats. Els microorganismes degraden les molècules mitjançant processos d'oxidació química, per tant, un dels paràmetres més importants a controlar durant el funcionament és l'oxigen dissolt present a l'aigua.

A les EDAR, normalment, aquest component es va aportant mitjançant sistemes d'aireació que  impedeixen la fermentació de matèria orgànica degut a les condicions anoxigèniques que podria provocar el consum d'oxigen de la biomassa microbiana.
            
El decantador que trobem després del reactor aerobi seria com un decantador secundari d'una EDAR. La seva funció és separar la biomassa i l'aigua, i ho fa mitjançant la gravetat; les partícules es van dipositant al fons mentre que l'aigua ja tractada surt per un canal que es troba al nivell del sobrenedant.

En aquesta pràctica no hem pogut calcular el temps de residència hidràulic ja que per fer-ho calia mesurar el cabal i això no ha sigut possible ja que la sortida situada al decantador tenia un cabal massa petit per poder mesurar-lo amb aproximació.

Tanmateix, si reduíssim el THR, és a dir, si augmentéssim el cabal, els processos que es duen a terme en el reactor i el decantador no podrien ser finalitzats correctament i no obtindríem el resultats acceptables. Per altra banda, si augmentéssim el temps de residència hidràulic, en el reactor l'OD seria, probablement, més elevat i per tan els microorganismes tindrien excés d'oxigen i com que ja tenen una gran quantitat de matèria orgànica provocaria un descontrol del nombre de microorganismes Tanmateix, al decantador l'aigua tindria més temps per estabilitzar-se i totes les partícules amb suficient pes baixarien de manera que l'aigua, pot ser, estaria més neta.

Aquests microorganismes no són tots iguals, dependrà de l'edat del fang ja que si es més vell els microorganismes que hi podrem trobar seran més complexes.

En el nostre cas hem vist que era un fang d'edat alta ja que hi hem trobat;

Vorticella convallaria Aspidisca cicada Rotífer

Spathidium Opercularia

Per determinar la matèria orgànica ho fem a partir de la DQO, que es basa en l'oxidació de la matèria orgànica present a la mostra amb dicromat de potassi, el que passa és que el dicromat oxida la matèria orgànica a diòxid de carboni, reduint el crom. Haurem de saber doncs, la quantitat de crom que no ha reaccionat, i per saber-ho el farem reaccionar amb sulfat ferrós amònic, i així el dicromat que no ha reaccionat ho farà amb sal de ferro dos i amb un indicador per tal de poder fer la valoració Redox. Llavors, quan tot el dicromat hagi reaccionat l'indicador variarà a un color marró.

La finalitat de les addicions de mercuri i sulfat de plata és catalitzadora, és a dir, s'utilitzen per a augmentar la velocitat de la reacció.

ANNEX 1

Càlcul de la DQO

( A - B ) x
x 8000

DQO =

V

On;

A: ml de SAF emprat per a la valoració del blanc (12,4 ml)

B: ml de SAF emprats per a la valoració de la mostra ( entrada 5ml, sortida 12,1 ml)

: normalitat del SAF

V: volum de mostra utilitzat (10ml)

Primer hem de calcular la normalitat del SAF:

V Cr2O72- · N Cr2O72-

=

VSAF

5 ml · 0,25 N

= = 0,099

12,6 ml

( 12,4 - 5 ) x 0,099 x 8000

DQOentrada= = 586,08

10

( 12,4 - 12,1 ) x 0,099 x 8000

DQOsortida= = 23,76

10

Càlcul de SST i SSV

P1 - T

SST =

Vmostra

(16,30 - 16,29 )g

SST entrada = = 2·10-4g/ml = 2·10-4 mg / l

50 ml

(14,11 - 14,11 )g

SST sortida = = 0 g/ ml = 0 mg/ l

100 ml

(23,09 - 22,98 )g

SST reactor = = 4,4·10-3g/ml = 4,4·10-3 mg / l

25 ml

P1 - P2

SSV reactor =

Vmostra

23,09 - 22,99

SSV reactor = = 4·10-3g/ml = 4·10-3 mg / l

25 ml

A l'entrada i la sortida no ho podem determinar ja que l'únic que varem posar a la mufla de 550ºC va ser la mostra del reactor, per tant no tenim informació sobre el P2 de les altres parts.

`

Pràctiques, Bases de l'enginyeria ambiental

CCAA, curs 2004-2005