Tratamiento de aguas residuales domésticas a temperaturas sub-optimas (13+1.8°C) en un bioreactor anaerobio de flujo pistón a escala laboratorio

Por: R. Ivan Medina H. / Walter Mamani Q.

English version: Domestic wastewater treatment in sub-optimal temperature (13 + 1.8 ° C) in a piston flow anaerobic bioreactor at laboratory scale

Reporte propuesto para publicación en revista “Tecnología para una América Latina Integrada”, Presentado para exposición en el VII Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Santa Cruz, Dic. 1995.

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Resumen

El Concepto UASB, reactor de manto de lodo y flujo ascendente es uno de los sistemas más estudiados en Latinoamerica y el Caribe dentro de los procesos anaerobios no convencionales aplicados al tratamiento de aguas residuales domésticas. Las experiencias a nivel laboratorio y escala real muestran que tiene un comportamiento bastante satisfactorio para climas tropicales y sub-tropicales con temperaturas arriba de los 20° C. Esta situación está planteando a varios expertos latinoamericanos la necesidad de idear, desarrollar y adaptar nuevos conceptos dentro de la anaerobiosis no convencional, como respuestas viables a los problemas de contaminación por aguas residuales domésticas en los países Andinos con temperaturas muy por debajo de 20 °C.

Una de las alternativas más viables para climas entre 10 y 20°C, es el Reactor anaerobio a pistón RAP, desarrollado en la Universidad de los Andes por Alvaro Orozco. El concepto RAP reviste una enorme importancia, pues constituye una respuesta tecnológica latinoamericana, segura, compacta y de bajo costo (competitiva y complementaria al lagunaje) para la deteriorada calidad de la mayoría de los cursos de agua en la zona andina.

El presente expone los resultados del estudio de tratabilidad de aguas residuales domésticas a temperaturas sub-optimas, en un bioreactor anaerobio de flujo pistón ascendente, a escala laboratorio, denominado RAP-100.
Se resumen los parámetros de control y las características operacionales de la puesta en marcha, proceso durante el cual se ha alcanzado la granulación (inmovilización bacteriana por medio de flóculos), usando lodo de tanque séptico como semilla.

Se presentan los resultados de 51 días de operación, bajo un perfil de caudal diario real, simulado a nivel laboratorio, lográndose que el RAP-100, opere con horas pico máximas y mínimas de caudal de agua residual, en la misma proporción y frecuencia a la que está sometida una planta de tratamiento (sin tanque de regulación) bajo condiciones reales. Durante este período se ha trabajado con un tiempo de retención hidráulico medio de 8 hr. velocidad ascencional 0.313+0.115 m/h y temperatura 13+ 1.8°C, obteniéndose eficiencias de remoción de demanda química de oxígeno DQO, demanda bioquímica de oxígeno DBO5 y número más probable de coliformes fecales NMPCF de: 77.5+5.5%, 84.5+1.5% y 67+19%, respectivamente. Las constantes cinéticas K y K2 de remoción de DQO, evaluadas para el modelo cinético de Orozco 1989, tienen valores 0.575 [mg. DQO/mg. SSV. díal y 0.094 [mg.DQO/mg. SSV] a 14.7 °C, la constante cinética Ka de remoción de NMPCF, evaluada para el modelo cinético Polpraset y Hoang es de 5.2+2.8 [1/día] a 14.7 °C.

También se muestra el perfil de desarrollo de lodo dentro del RAP, estimandose la tasa de producción de lodo por materia orgánica eliminada. Por último se demuestra que las cámaras 1 y 2 del RAP-100 , presentan parámetros de control relativamente críticos, por lo que pueden ser utilizadas como “cámaras piloto de control”.

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Palabras Claves

Reactor anaerobio de flujo pistón de flujo ascendente, inmovilización bacteriana, parámetros de control y operación, perfil de caudal diario real simulado, tiempo de retención hidráulico, velocidad ascencional, eficiencia de remoción, constantes cinéticas, modelo cinético, cámaras piloto de control del RAP-100.

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Objetivos

El objetivo del trabajo es obtener información sobre la tratabilidad de aguas residuales domésticas en un reactor anaerobio de flujo pistón de flujo ascendente a nivel laboratorio, a temperaturas subóptimas ( 13± 1.8°C ): perfil de carga, control y fenómeno de granulación durante la puesta en marcha, tiempo de retención hidráulico óptimo, eficiencias y constantes cinéticas de remoción de DQO, DBO5 y NMPCF, etc.

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Introducción

El reactor Anaeroblo a pistón “RAP”, es un reactor biológico anaerobio no convencional desarrollado en la Universidad de los Andes, esta tecnología ha tenido un comportamiento muy satisfactorio operando a temperaturas menores de 20°C, como ser: tiempo de retención hidráulicos reducidos, altas eficiencias de remoción de demanda bioquímica de oxígeno y demanda bioquímica de oxígeno, etc., por lo se puede esperar que la validación de su tecnología, plantee alternativas de solución de bajo costo para el tratamiento biológico de aguas residuales domésticas a temperaturas sub – óptimas.

El RAP, desarrollado en la Universidad de los Andes, tiene el 55% de su volumen ocupado por flujo ascendente. A partir de análisis bibliográfico y considerando que el flujo ascendente es uno de los principales factores para la formación de lodo granular Lettinga- 1985, ( lodo responsable de las altas tasas de depuración presentadas en estos sistemas), se plantea introducir una modificación que permite lograr que todo el del volumen del RAP, este ocupado por flujo ascendente, creando de esta manera mas “zonas activas” para promover el desarrollo de lodo granular, este reactor será denominado para fines comparativos, RAP- 100.

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Materiales y Equipos

Reactor Anaerobio a Pistón “RAP-100”:

El reactor fue construido en vidrio con once cámaras y un volumen útil de 25 lt, como medio de alta porosidad, para promover la separación de lodo – gas – líquido, se ha utilizado ruleros N°25, colocados en la parte superior de cada cámara. El flujo ascendente en todo el reactor, se logra mediante un sistema de sumideros de PVC como única conexión entre cámara y cámara. (fig. l).

Equipo de dosificación de conservación y alimentación continua del agua residual:

El equipo de dosificación y conservación de agua residual al reactor, consiste en un depósito de vidrio hermético de 26.7 lt de capacidad, con tapa de vidrio esmerilado donde se conecta un dispositivo de control de entrada de aire por tubo capilar, el agua residual es cargada al depósito cada 48, 24, 12 y 6 horas, de acuerdo al tiempo de retención hidráulico del RAP- 100.

Este depósito de agua residual se encuentra ubicado dentro de un refrigerador y mantenido a 4°C y posee un sistema de agitación magnética para evitar la sedimentación de los sólidos en suspensión. El equipo está totalmente calibrado para diferentes tubos capilares ( de similares diámetros ) y bajo condiciones de trabajo a nivel laboratorio (fig. 2).

Dispositivo de atemperación del agua residual alimentada al RAP:

Para atemperar el agua residual que sale a 4°C de refrigerador, antes de su entrada al RAP, se ha construido un intercambiador de calor, con tubos de vidrio y de goma, al circular el agua residual por su interior el agua residual se calienta desde 4-7°C hasta 15-16°C, antes de entrar al RAP. El intercambiador de calor se calienta continuamente, al estar instalado sobre el condensador del refrigerador.

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Procedimiento

Muestreo y control del proceso:

El control del proceso de digestión anaerobia, se ha llevado a cabo mediante la evaluación de los siguientes parámetros de control y operación: temperatura, pH, ácidos volátiles grasos AVG, alcalinidad AT, factor de capacidad tampón FCT y potencial redox de hidrógeno Eh.

La temperatura, es leída directamente en un microprocesador digital, el que está conectado a un censor ubicado en el interior de RAP.

El pH es leído en el microprocesador conectado a un electrodo de pH, para el afluente, efluente y cuatro muestras compuestas de las cámaras: 1 y 2; 3 – 5; 6 – 8 y 9 – 11 respectivamente.

Los ácidos volátiles grasos AVG, alcalinidad total AT y factor de capacidad tampón FCT, son determinados por titulación potenciométrica, con la ayuda de un agitador magnético, para las cuatro muestras compuestas arriba referidas.

El potencial de óxido-redución referido al electrodo de hidrógeno Eh, es leído en el microprocesador conectado a un electrodo de Eh, para la cuatro muestras compuestas.

La remoción de la materia orgánica expresada como demanda química de oxígeno DQO, se determina por diferencia entre el DQO del agua residual cruda y tratada.

La DQO se analiza y determina por el método espectrofotométrico del dicromato de potasio, para el efluente y afluente respectivamente, a partir de muestras compuestas de cuatro días conservadas, bajo congelamiento.

Puesta en marcha del RAP-100:

La puesta en marcha del, se ha llevado a cabo en 101 días, desde el 1-3-94 hasta el 9-6-94 y se ha iniciado bajo las siguientes características (primeros 13 días):

Parámetros de operación:

• Lodo semilla: lodo de tanque séptico.
• Concentración del lodo semilla en las cámaras del RAP: 1 gr. de SSV/I
• Máxima actividad metanogénica del lodo semilla (300C) A.M: 0.04 gr. DQO/gr. SSV. día
• Sustrato: agua residual urbana, extraída del colector principal de aguas residuales de Tarija, en horas pico de caudal y carga orgánica.
• Tiempo de retención hidráulica: 48 hr.
• Velocidad de ascenso del flujo dentro del RAP: 0.052 ± 0.003 m/hr.
• Caudal de aguas residual cargada al RAP, Q infl: 8.69±0.55 cc/min.
• Concentración del agua residual, DQO e: 365±130 mg. DQO/I
• Carga orgánica volumétrica, Lv : 0. 18±0.07 gr. DQO/I. día
• Eficiencias de remoción de DQO % ef : 94.2 ± 1.8 %

Parámetros de control:

• Temperatura de operación: 20.61±0.7 °C
• pH afluente, pHi : 7.45±0.27
• pH efluente, pHe : 7.16±0. 1 1
• pH cámaras críticas (cámaras 1 y 2) : 6.97±0.11
• Acidos volátiles grasos, cámaras piloto de control (1 y 2), AVG: 28.3±4.4 mg. de ácido acético/l.
• Alcalinidad total, cámaras Piloto de control (1 y 2), A.T : 229± 41 mg. de carbonato de calcio/ 1.
• Factor de capacidad tampón, cámaras de control (cámaras 1 y 2) FCT: 0.1 ±0. 01

Luego de 13 días de operación y debido a las altas eficiencias de remoción alcanzadas, se ha decidido disminuir el tiempo de retención hidráulico desde 48 a 24 hr, con velocidades de ascenso de 0.1041 m/h. Bajo estas condiciones se ha alcanzado la granulación (inmovilización bacteriana en forma de flóculos) aproximadamente a los 47 días. Sin embargo a pesar de haber alcanzado la granulación parcial, no se ha considerado que el RAP estaba totalmente maduro hasta comprobar su estabilidad para tiempos de retención hidráulicos menores y bajo condiciones críticas de temperatura. Tomando en cuenta las recomendaciones de Orozco – 1994, de operar a velocidades de 0.25 m/h para lograr mayor granulación, se ha decidido operar a 0.204 m/h, con tiempo de retención hidráulico de 12 hr, luego de los 61 días de operación. La estabilidad del proceso se ha terminado de comprobar a los 101 días aproximadamente con las siguientes condiciones operacionales y medio ambientales en los últimos 40 días de la puesta en marcha.

Parámetros de operación:

• Tipo de lodo: lodo granular
• Concentración del lodo: 2.76 gr. de SSV/1
• Máxima actividad metanogénica del lodo (300C) A.M: 1.01 gr. DQO/gr. SSV. día
• Sustrato: agua residual urbana, extraída del colector principal de aguas residuales de Tarija, en horas pico de caudal y carga orgánica.
• Tiempo de retención hidráulico: 12 h.
• Velocidad de ascenso del flujo dentro del RAP: 0.208±0.026 m/h.
• Caudal de aguas residual cargada al RAP Q iní]: 34.68±4.62 cc/min.
• Concentración del agua residual DQO e:457±96 mg. DQO/I.
• Carga orgánica volumétrica Lv : 0. 91+-0.19 gr. DQO/I. día
• Eficiencias de remoción de DQO %ef : 87.1 ± 3.4 %

Parámetros de control:

• Temperatura de operación: 16.81 ± 1.9 °C
• pH influente, pHi : 7.86±0.38
• pH eíluente, pHe: 7.45±0.2
• pH cámaras piloto de control (1 y 2) : 7.27±0.29
• Acidos volátiles grasos, cámaras piloto de control (l y 2) AVG: 48.4±16.3 mg. de ácido acético/I.
• Alcalinidad total, cámaras piloto de control (l y 2) A.T: 300 ± 66 mg. de carbonato de calcio/1.
• Factor de capacidad tampón, cámaras de control (cámaras 1 y 2) FCT: 0. 14±0.05.

Es necesario recalcar que bajo estas condiciones el lodo ocupaba el 10% del volumen del reactor.

Simulación física del perfil diario de caudal de agua residual:

Una planta de tratamiento a escala real, está sometida a variaciones horarias del caudal de entrada de agua residual, por lo que se ha considerado de importancia estudiar la respuesta del RAP- 100, ante caudales picos máximos y mínimos, para ello se ha procedido a diseñar un perfil de alimentación de caudal similar al perfil relativo de caudal para la Ciudad de Tarija, en este caso particular, el caudal de agua residual tiene dos picos máximos que se presentan entre las 8 y 10 a.m. y de 14 a 16 horas. Realizando un análisis de caudales relativos, asignando 100 al máximo caudal, se ha encontrado perfil de caudal diario característico para la ciudad de Tarija.

El diseño del perfil de caudal de agua residual se ha realizado mediante cálculos iterativos, en hoja electrónica se ha diseñado un perfil de caudal de alimentación al RAP a nivel laboratorio similar al perfil (ver tabla 1 y fig. 3).

Mediante la simulación del perfil real, el caudal promedio alimentado al RAP- 100 es de 52±19 cc/mim, con un tiempo de retención hidráulico medio de 8 hr y velocidades ascencionales de 0.313±0.115 m/h. El RAP fue operado bajo estas condiciones durante 51 días, obteniéndose importantes resultados de remoción y estabilidad del proceso de digestión (ver tablas 2).

Determinación de constantes eméticas de remoción de DQO y NMPCF:

Debido a que las constantes cinéticas son datos fundamentales para el diseño y dimensionamiento de un reactor biológico de tratamiento de aguas, se ha procedido a evaluarlas, para los siguientes modelos cinéticos:

Las constantes cinéticas de remoción de DQO, se han evaluado para el modelo cinético flujo pistón de Orozco- 1989, para el RAP- 100:

DQOo y DQOf [mg. DQO/I]: demanda química de oxígeno del influente y efluente del RAP-100.

X [mg. SSV/I]: concentración de lodo granular.

TRH: tiempo de retención hidráulico.

Las constantes cinéticas de remoción de patógenos expresados como NMPCF, se han evaluado para el modelo cinético de Polpraset y Hoang – 1983 citados por Belli F-1984:

Ka [1/ día]: constante cinética de mortalidad de conformes fecales bajo condiciones anaerobias.

NMPCFo y NMPCf [#/100 ml] número más probable de conformes fecales para el influente y efluente del RAP-100.

TRH: tiempo de retención hidráulico.

Con la siguiente metodología:

• Determinación del DQO y NMPCF en las corrientes de entrada y la salida del RAP- 100, para dos condiciones de tiempo de retención hidráulico ( 8 y 12 horas) , diferentes y condiciones de operación y digestión anaerobia controladas.
• Cálculo de las constantes cinéticas.

Para el RAP-100 es un reactor hídrido aflujo pistón, según Orozco-1989 y Levenspiel -1985, por lo que se puede afirmar para fines prácticos que el factor de dispersión del fluido es cero, según Forero-1985, sobre esta base el tiempo de retención hidráulico puede asimilarse al tiempo de detención del fluido.

Determinación de la tasa de producción de lodo:

La tasa de producción de Iodos fue determinada mediante:

T1 =        X₂ – X₁         

         % EF _DQO. L_V.t

donde:

X₁[gr.SSV /1]: concentración de lodo al inicio del periodo de operación.

X₂[gr. SSV / 1]: concentración de lodo al final.del periodo de operación.

% ef DQO: eficiencias de remoción de DQO.

Lv [gr. DQO / 1 . día 1: carga orgánica volumétrica.

t[ día] ; duración del periodo.

Una correlación entre el desarrollo de lodo y su actividad metanogénica dentro del RAP se presenta en la figura 4.

Determinación de las cámaras piloto de control:

Para el efecto se ha procedido a comparar los valores promedios varios parámetros de control evaluados en las siguientes combinaciones de cámaras: 1- 2 ; 3 – 5, 6 – 8 y 9 -11.

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Resultados y Discusión

Mediante condiciones controladas, se ha logrado inmovilización bacteriana, a través de el desarrollo lodo granular de alta actividad metanogénica, característica fundamental del concepto RAP, de acuerdo a Orozco- 1994.

Se ha comprobado que el lodo de cámara séptica (existente en nuestro medio), en una concentración de 1 gr. SSV/I, es un inóculo de alta calidad, lográndose granulación parcial a los 47 días, luego del arranque del RAP-100 aunque se existen referencias de que el lodo semilla no es necesario.

Se cuenta con información sobre el comportamiento de proceso de digestión anaerobia durante la puesta en marcha del RAP, crecimiento de lodo y incremento de actividad metanogénica en forma de tablas cronológicas y perfiles de los siguientes parámetros de control: pH, AVG, AT, FCT, Eh. Se ha determinado la siguiente información para el diseño y operación del RAP- 100, para temperaturas sub-óptimas y sometido un perfil real de caudal de agua residual, durante 51 días:

Parámetros de operación:

• Tipo de lodo: lodo granular .
• Concentración de inicial del lodo en el RAP: 2.76 gr. de SSV/1.
• Máxima actividad metanogénica inicial del lodo (30°C) A.M: 1.01 gr. DQO/gr. SSV. día.
• Concentración de final del lodo en el RAP: 6.27 gr. de SSV/I.
• Tasa de formación de lodo: 0.0592 gr. SSV/gr. de DQO eliminada.
• Máxima Actividad metanogénica final del lodo (30°C) A.M. : 0.91 gr. DQO/gr. SSV. día
• Tasa de formación de lodo: 0.0592 gr. SSV/gr. de DQO eliminada.
• Sustrato: agua residual urbana, extraída del colector principal de aguas residuales de Tarija, en horas pico de caudal y carga orgánica.
• Tiempo de retención hidráulica: 8 hr.
• Velocidad de ascenso del flujo dentro del RAP: 0.313±0.115 m/h.
• Caudal de aguas residual cargada al RAP- 100 Q infl: 52.08±19. 1 cc/min.
• Concentración del agua residual DQOO: 499±92 mg. DQO/I.
• Carga orgánica volumétrica Lv: 1.5±0.28 gr. DQO/I. día.
• Eficiencias de remoción de DQO: 77.5 ± 5.5 %.
• Eficiencias de remoción de DB05: 84 ± 1.5 %.
• Eficiencias de remoción de NMPCF: 67 ± 19 %.
• Temperatura de operación: 13.14 ± 1.8 °C.

Parámetros de control:

• pH influente, pHi: 7.91±0.43.
• pH efluente, pHe : 7.25±0.2.
• pH cámaras piloto de control (l y 2): 7.47±0.27.
• Acidos volátiles grasos AVG, cámaras piloto de control (1y2): 57.8 ±9.74 mg. de ácido acético/l.
• Alcalinidad total A.T., cámaras piloto de control (l y 2): 357 ± 56 mg. de carbonato de calcio/ 1.
• Factor de capacidad tampón FCT, cámaras piloto de control (l y 2): 0.14±0.03.
• Potencial redox Eh, cámaras piloto de control (l y 2): -143±16 [mv].

Las eficiencias de remoción y los parámetros de control, fueron determinados de muestras compuestas recolectadas para el lapso durante el cual se alimentaba caudales picos máximos al RAP, desde las 9:00 a.m. hasta las 9.00 p.m., con tiempo de retención hidráulico de 6 hr.

Constantes cinéticas:

Para la remoción de DQO según el modelo de Orozco a 14.7°C:

K = 0.575 [mg. DQO/mg. SSV. día]

K2 = 0.094 [mg. DQO/mg. SSV]

Las constantes eméticas determinadas, están en consonancia con lo valores reportados por Orozco y con los resultados obtenidos en los ensayos de actividad metanogénica.

Para la remoción de NMPCF:

Ka = 5.2± 2.8 [I/día]

La constante para remoción de conformes fecales Ka, es cinco veces mas grande que el valor reportado por Polpraset y Hoang citado por Belli F-1984, debido probablemente a que el RAP100, se ajusta mejor al modelo de flujo de fluido pistón, que los sistemas anaerobios estudiados por los autores citados (UASB, cámaras sépticas, etc.).

Producción de lodo:

La tasa de producción de lodo T1estimada para los últimos 70 días de operación del RAP tiene un valor de:

TI = 0.043 gr SSV. de lodo/ gr DQO eliminada.

Resultado que confirma las bajas tasas de reproducción de la población microbiana anaerobia dentro del reactor, lo que supone una gran ventaja frente a los tratamientos convencionales de lodos activados.

Cámaras piloto de control:

La estabilidad del proceso de fermentación en función de los parámetros de control anotados en la siguiente tabla (de 51 días de operación):

Se puede afirmar que las cámaras 1 y 2 presentan los valores relativamente críticos de parámetros de control tomando en cuenta que la estabilidad del proceso es inversamente proporcional a los valores de Eh, AVG y FCT.

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Conclusiones

• El tiempo de retención hidráulico de 8 hr parece ser el óptimo para el escalamiento, en base al caudal medio de agua residual, tomando como criterio principal la remoción de materia orgánica, con %ef DQQ:77.5±5.5, %efDB05: 84±1.5 y concentraciones 38±2.6 gr. DB05/1 en el efluente, para temperaturas de 13.1 ± 1.8 °C.
• Las granulación (inmobilización bacteriana por medio de flóculos) se ha desarrollado con velocidades ascencionales de 0.1 a 0.2 m/h.
• La siguiente ecuación, basada en el modelo cinético de Orozco, describe el comportamiento del RAP, en lo que se refiere a la remoción de DQO a temperaturas medias de 14.7±1.3 °C :

0.094.X.TRH = 0.575.X.Ln (DQO°)/(DQOf) + (DQO° – DQPf)

• La siguiente ecuación, basada en el modelo cinético de Polpraset y Hoang, describe el comportamiento del RAP, en lo que se refiere a la remoción de bacterias conformes, a una temperatura promedio de 14.7±1.3°C:
  • La tasa de producción de lodo es de: 0.043 gr SSV. de lodo/ gr. DQO eliminada.
  • Las cámaras 1 y 2, pueden ser utilizadas para el control del proceso de fermentación del reactor.

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Bibliografía

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Agradecimientos

Los autores agradecen al Fondo Nacional para el Medio Ambiente ” FONAMA “/Cuenta Ambiental” Iniciativa para la Américas”, por el apoyo financiero prestado a través del proyecto PROMADE 9A/04e/04-02. A Ing. Alvaro Orozco por los valiosos comentarios y sugerencias para el desarrollo del presente trabajo.

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Tabla 1

Universidad Autónoma Juan Misael Saracho-Facultad de Ciencias y Tecnología.

Planta Piloto de Procesos Microbiológicos Anaerobios Depurativos de Aguas Residuales.

PROMADE/FONAMA Cuenta Ambiental Iniciativa para las Américas.

Actividad 10: Medición de parámetros de diseño del RAP-100.

Q(cc/min):Caudal de agua residual alimentado al RAP-100, estimado mediante: Q(cc/min)-4.57 (54+Zf)/2Lcap.
donde: Zi: altura inicial del tanque de alimentación, para el período de una hora
Zf: altura final del tanque de alimentación, para el período de una hora
Lcap: longitud del tubo capilar del dispositivo de control de flujo
Vasc.(m/h): Velocidad de ascenso de fluido, en las cámaras del RAP-100

Tabla 2.a

Universidad Autonoma Juan Misael Saracho-Facultad de Ciencias y Tecnología.

Planta Piloto de Procesos Microbiológicos Anaerobios Depurativos de Aguas Residuales.

PROMADE/FONAMA Cuenta Ambiental Iniciativa para las Américas.

Actividad 10: Operación del RAP-100.

Resumen de la operación del reactor anaerobio a pistón RAP-100. Durante la simulación del Perfil de Caudal de Agua Residual Doméstica para tiempo de retención hidráulicos de 6 y 12 horas, con un promedio de 8 horas.