Diseño de un biofiltro domiciliar para el tratamiento de aguas grises

Hola amigos de steemit, en esta oportunidad les traigo un avance del proyecto que comencé a mostrarles en mi post “Caracterización de materiales orgánicos para ser empleados como medio filtrante en la depuración de aguas grises”.

En dicho post les mostré como llegué a la selección de la fibra de coco como el material orgánico que ofrece mejores características para ser utilizado como medio filtrante en la biojardinera que próximante construiré y evaluaré a escala piloto.

Sin embargo, para ello requería previamente diseñarla. Por lo que esta fase del estudio tuvo como objetivo establecer las dimensiones de un biofiltro domiciliar empleando como material filtrante fibra de coco (BFE), de ésta manera en una próxima fase del proyecto llevar a cabo su construcción y la construcción de un biofiltro testigo (BFT). Esto con la finalidad de comparar la eficiencia de remoción del material de soporte orgánico empleado en este estudio en relación al que frecuentemente se emplea en este tipo de sistemas.

Este tipo de sistemas generalmente se diseñan empleando grava, arena y piedra. Sin embargo, hoy les presento el diseño empleando fibra de coco basado en los mismos principios de humedales de flujo subsuperficiales, ya que también es un material poroso y generalmente se emplea en filtros de tipo percoladores más no en biojardineras. De esta manera evaluar otras alternativas de material filtrante y determinar su eficiencia en este tipo de sistema.

¡Les invito a revisar la información!


Figura 1. Biojardinera para el tratamiento de aguas grises en el hogar.
Fuente: elaboración propia

Diseño biofiltro domiciliar en estudio (BFE)

Parte experimental

Los biofiltros domiciliares imitan a los humedales naturales, donde las aguas residuales se depuran por procesos naturales. El tamaño de estos sistemas depende principalmente del caudal que se desea tratar y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) que se necesita reducir. Se debe conocer la temperatura mínima del sitio donde se propone construir, y el nivel deseado de DBO en el efluente.

La Demanda bioquímica de oxígeno es un parámetro de contaminación orgánica, aplicable tanto a aguas residuales como superficiales. La determinación del mismo está relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica. Para la determinación del DBO en la entrada se tomó una muestra de agua gris y fue analizada en el laboratorio.

Otro parámetro necesario para el diseño es la porosidad del material. Para la determinación de la porosidad del lecho filtrante in situ, por tratarse de un material orgánico, se siguió la metodología descrita por Tariq (1975) (Citado por Garzón, Lessard y Buelna, 2015). El principio para la determinación de la porosidad es sumergir completamente el lecho filtrante en agua. Como el agua llena los poros del material filtrante, el volumen de agua representa el volumen total de espacios en el material filtrante. La relación entre el volumen de agua drenada y el volumen en el lecho permite determinar la porosidad.

Para ello, se realizó una prueba de vaciado, por lo que se procedió a realizar el montaje experimental de un biofiltro soportado con fibra de coco, colocándole una válvula para el drenaje del agua. La prueba consistió en llenar el biofiltro desde el fondo con agua hasta cubrir todo el material filtrante y se dejó en reposo toda la noche. Luego se vació y se midió el volumen en varios lapsos de tiempo a 1, 2, 4,16, 33,89, 232, 282 y 1200 min. La duración total de la prueba fue de 1200 minutos.

Al finalizar las pruebas se recolectaron muestras del material en el biofiltro y se determinó el contenido de humedad en el laboratorio.


Figura 2. Montaje experimental para la prueba de vaciado en un biofiltro a escala piloto
Fuente: elaboración propia

Para la determinación de la porosidad in situ se tomaron en cuenta los datos generados en las pruebas de vaciado respecto a los volúmenes de agua drenada, porcentaje de humedad retenido en los materiales y peso del material filtrante.

La porosidad in situ viene dada por:

Porosidad (%) = A+B/ V *100

Dónde: A= volumen de espacios vacíos o agua acumulada al final de la prueba de vaciado (1200min), (B) =volumen de agua contenido en el material filtrante y V= volumen del biofiltro (L). (Cardoso, L., Ramírez, E., y Garzón M., 2011).

Cálculos

Una vez culminada la parte experimental, se procedió a realizar los cálculos pertinentes. La ley de Darcy explica el funcionamiento físico de estos sistemas, ya que describe el régimen de flujo en un medio poroso que es lo generalmente aceptado para el diseño de este tipo de humedales, y en base a ella se determinaron los parámetros específicos de diseño.


Figura 3. Ecuaciones empleadas en el diseño del biofiltro
Fuente: Elaboración propia. Ecuaciones tomadas de Delfs, 2008.

Donde:
K20= constante de velocidad de reacción en 20 °C
Co= concentración inicial de DBO del agua que entra en el sistema (mg/L)
C = concentración deseada de DBO del agua que sale en el sistema (mg/L)
dw = la profundidad de la biojardinera (m)
As= área (m2)
Qave= flujo diario (m3/día)
t = tiempo de retención (días)
n= porosidad del medio (% expresado en decimales).

Para la construcción del biofiltro domiciliar testigo (BFT) se tomarán como base las dimensiones del BFE y así comparar su eficiencia de remoción.

Consideraciones de diseño

• El valor de la constante de velocidad de reacción varía dependiendo del sistema. Un valor alto indica que la descomposición de DBO es más rápida, se empleó como criterio 1.1 días-1.
• En la salida, los valores de DBO razonables están entre los 10 y 20 mg/L. El humedal puede disminuir los valores de DBO más no los puede eliminar por completo (Delfs, 2008). Por lo que se fijó la meta de reducirlo hasta 10mg/L.
• A mayor profundidad mayor será la carga que el sistema puede procesar, sin embargo, si el sustrato es demasiado profundo, las condiciones en el fondo llegan a ser anaeróbicas y puede ocurrir que la eliminación del DBO y nutrientes se vea reducida. Se trabajó con una profundidad de 0,20m.
• RA es la proporción, longitud/ancho. Para humedales construidos de flujo subterráneos, los autores Crites and Tchobanoglous (1998) recomiendan que la proporción esté entre 2:1 y 4:1(Citado por Delfs, 2008). Se trabajó con una relación 2:1
• Se trabajó con un caudal de 0,015m3/día

El desarrollo de las ecuaciones se realizó en una hoja de excel resumiendo así los parámetros de diseño, adicionalmente se describen los componentes del sistema de biofiltración.


Figura 4. Hoja de cálculo para el diseño del biofiltro
Fuente: elaboración propia

Demanda bioquímica de oxígeno


Figura 5. Valores de DBO determinado a las muestras de agua gris
Fuente: elaboración propia

Porosidad
Prueba de vaciado


Figura 6. Valores de agua acumulada en la prueba de vaciado
Fuente: elaboración propia


Figura 7. Volumen acumulado en la prueba de vaciado
Fuente: elaboración propia

Humedad


Figura 8. Porcentaje de humedad en muestras de fibra de coco después de la prueba de vaciado
Fuente: elaboración propia

Porosidad in situ


Figura 9. Porosidad in situ
Fuente: elaboración propia

Como puede observarse se obtuvo un valor de DBO promedio a la entrada de 42mg/L, lo que indica poca demanda de oxígeno por la materia orgánica presente en la muestra. Por otra parte, el material filtrante posee alta porosidad de 64,41%. Los valores indican que habrá buen drenaje en biofiltro por resultar alto el volumen de macroporosidad y una baja retención de partículas pequeñas por la microporosidad resultante. Con la obtención de ambos resultados se establecieron las bases para el diseño.

Cálculos


Figura 10. Dimensiones del biofiltro
Fuente: elaboración propia

Diseño del sistema


Figura 11. Diseño del sistema de biofiltración.
Fuente: elaboración propia

Descripción del proceso

En este tipo de sistema, el agua gris pasa en primer lugar por una trampa de grasas, como pretratamiento. El agua previamente tratada sale de la trampa de grasas y se dirige hacia la biojardinera. El agua que se lleva a la biojardinera se descarga por una tubería colocada en forma horizontal con ranuras que permita su distribución a todo lo ancho de la sección de entrada y que fluya de manera uniforme. El agua hace su recorrido horizontalmente y de forma laminar, pasando a través del lecho filtrante de un extremo al otro. En el otro extremo, existe otro tubo de salida colocado en el fondo que permite conducir el agua también por medio de otro ducto hacia arriba, hasta la altura de salida. La biojardinera cuenta con tres secciones. Las secciones de entrada y salida están rellenas de grava y sirven para distribuir el agua uniformemente cuando ésta entra y sale del filtro. La sección central o intermedia se rellena con fibra de coco y es donde se siembran las plantas de pantano.

Dimensionamiento del sistema de tratamiento primario (trampa de grasas)

El tratamiento primario es una operación previa al biofiltro. En la trampa de grasas los materiales sedimentables son decantados situándose en la parte inferior del tanque, por diferencia de pesos. De esta manera se producirá una separación de grasas y detergentes que obligara al material flotante a situarse en la parte superior del tanque. De esta forma, la trampa protege el filtro, pues evita que éste se tape.

Para este tipo de sistemas según la guía de especificaciones técnicas para el diseño de trampa de grasa, la capacidad mínima debe ser de 300L. Sin embargo, en el sistema diseñado se trabajará con un caudal muy bajo. En el sistema de biojardineras los recipientes utilizados usualmente son tanques plásticos, que trabajan como separadores de grasa, cuyo volumen esta en dependencia del caudal de aguas grises a tratar. Se pueden utilizar uno o más recipientes para asegurar una mayor remoción. En base a ello se trabajará en la construcción con un recipiente para tratar un volumen de 3L en un tiempo de retención de 2,4h.


Figura 12. Trampa de grasas
Fuente: elaboración propia

Vegetación

Normalmente en humedales de biofiltración de aguas grises se emplean plantas que pueden ser encontradas en humedales naturales. La planta a sembrar se seleccionó en base a la eficiencia proporcionada en el tratamiento de las aguas residuales. En el biofiltro domiciliar se utilizará la Typha Dominguensis, planta fuerte, fácil de propagar, capaz de producir una biomasa anual grande.


Figura 13. TyphaDominguensis
Fuente: Stan Shebs, 2008

  • En base a los cálculos realizados el sistema de biofiltración a construir a escala piloto constará de una etapa de pretratamiento (trampa de grasas) para tratar un volumen de 3L en un tiempo de retención de 2,4h.

  • Las dimensiones de la biojardineraa escala piloto son de 49cm de largo, 20cm de ancho y 20cm de profundidad.

  • Se seleccionó la Typha Dominguensis, como planta a sembrar en la biojardinera por ser una planta fuerte, fácil de propagar y presentar alta eficiencia en el tratamiento de aguas residuales.

  • Para la construcción del biofiltro domiciliar testigo (BFT) se tomarán como base las dimensiones del BFE y así comparar su eficiencia de remoción.

¡Hasta aquí la segunda parte del proyecto, espero sea de utilidad la información presentada!
¡Ahora a construir el biofiltro!

Referencias Bibliográficas

  • Garzón-Zúñiga M. A., Lessard P., Buelna G. (2003). Determination of thehydraulicresidence time in a tricklingbiofilterfilledwithorganicmatter. Enviromentaltechnology
  • Cardoso, L., Ramírez, E., y Garzón M. (2011). Vermifiltración para tratamiento de aguas residuales industriales y municipales.
  • Delfs, S. (2008). Manual de biojardineras.
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