La producción de biomasa a partir de la digestión del nitrógeno amoniacal se calcula aplicando el rendimiento estequiométrico de biomasa al amonio realmente consumido. Según la reacción proporcionada, 55 mol de iones amonio producen 1 mol de tejido bacteriano, representado como C5H7O2N, con una masa molar de aproximadamente 113 g/mol. Por lo tanto, mida el flujo másico de amonio que entra al reactor piloto, multiplíquelo por la fracción eliminada y convierta el amonio consumido en una masa equivalente de biomasa.
El cálculo central es: producción de biomasa = carga de amonio consumida × rendimiento estequiométrico de biomasa. Para la reacción indicada, el rendimiento es aproximadamente de 0.114 g de biomasa por g de
NH4+consumido, o 0.147 g de biomasa por g deNH4-Nconsumido.
Establecer la carga de amonio
Calcular el flujo másico de amonio afluente
La carga de amonio que entra al reactor se calcula a partir del caudal y la concentración:
[ L_{\text{NH}4} = Q \times C{\text{NH}_4} ]
Donde:
- (L_{\text{NH}_4}) = carga de amonio afluente
- (Q) = caudal de líquido
- (C_{\text{NH}_4}) = concentración de amonio afluente
Para obtener resultados coherentes, utilice unidades compatibles. Por ejemplo:
[ \text{kg/d} = \frac{\text{m}^3}{\text{d}} \times \frac{\text{mg}}{\text{L}} \times 10^{-3} ]
Esta conversión funciona porque (1\ \text{mg/L}) equivale a (1\ \text{g/m}^3).
Utilizar el amonio realmente consumido
La biomasa se forma a partir del amonio eliminado por los microorganismos, no necesariamente a partir de toda la carga afluente:
[ L_{\text{consumed}} = Q(C_{\text{in}} - C_{\text{out}}) ]
Si solo se dispone de un porcentaje de eliminación:
[ L_{\text{consumed}} = L_{\text{in}} \times X ]
Donde (X) es la conversión fraccionaria del amonio. Una tasa de eliminación del 85 % se representa como (X = 0.85).
Aplicar el rendimiento estequiométrico
Convertir moles de amonio en moles de biomasa
La reacción indicada es:
[ 5CO_2 + 55NH_4^+ + 76O_2 \rightarrow C_5H_7O_2N + 54NO_2^- + 52H_2O + 109H^+ ]
La reacción establece la siguiente relación molar:
[ 55\ \text{mol NH}_4^+ \rightarrow 1\ \text{mol de biomasa} ]
La molécula de biomasa tiene una masa molar de aproximadamente 113 g/mol. El ion amonio tiene una masa molar de aproximadamente 18.04 g/mol.
Por lo tanto:
[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+}
\frac{113}{55 \times 18.04} ]
[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+} \approx 0.114\ \frac{\text{g de biomasa}}{\text{g NH}_4^+} ]
La tasa de producción de biomasa es entonces:
[ P_{\text{biomass}}
L_{\text{NH}_4^+,\text{consumed}} \times 0.114 ]
Distinguir entre NH4+ y NH4-N
Los datos de las plantas piloto suelen expresarse como nitrógeno amoniacal, o NH4-N, en lugar de expresarse como la masa total del ion amonio. Esta distinción cambia el rendimiento numérico.
Para la reacción tal como está escrita:
[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}}
\frac{113}{55 \times 14.01} ]
[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}} \approx 0.147\ \frac{\text{g de biomasa}}{\text{g NH}_4\text{-N}} ]
Utilice 0.114 g/g cuando la concentración esté expresada como NH4+. Utilice 0.147 g/g cuando esté expresada como NH4-N.
Desarrollar un ejemplo de planta piloto
Ejemplo con caudal, concentración y conversión
Suponga que un reactor piloto tiene:
- Caudal: (Q = 1.0\ \text{m}^3/\text{d})
- Amonio afluente: (C_{\text{in}} = 100\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})
- Amonio efluente: (C_{\text{out}} = 20\ \text{mg NH}_4\text{-N/L})
La carga de nitrógeno amoniacal consumida es:
[ L_{\text{consumed}}
1.0(100-20) ]
[ L_{\text{consumed}}
80\ \text{g NH}_4\text{-N/d} ]
Aplicando el rendimiento de NH4-N:
[ P_{\text{biomass}}
80 \times 0.147 ]
[ P_{\text{biomass}} \approx 11.8\ \text{g de biomasa/d} ]
Por lo tanto, la producción bruta estimada de biomasa es de aproximadamente 11.8 g/d, expresada como biomasa celular seca.
Expresar el resultado como rendimiento del reactor
Para comparar diferentes ensayos piloto, normalice la producción de biomasa con respecto al amonio consumido:
[ Y = \frac{P_{\text{biomass}}} {L_{\text{NH}_4\text{-N},\text{consumed}}} ]
Esto proporciona un rendimiento expresado en:
[ \text{g de biomasa}/\text{g de NH}_4\text{-N consumido} ]
Este valor normalizado es útil para comparar diferentes tasas de carga hidráulica, condiciones de oxígeno disuelto, temperaturas o configuraciones de reactor.
Relacionar el cálculo con un balance de masa
Separar los destinos del nitrógeno
Todo el amonio consumido no se convierte en biomasa. Según la reacción proporcionada, el nitrógeno amoniacal se distribuye entre:
- Nuevo tejido celular
- Nitrito
- Amonio residual u otras formas de nitrógeno medidas
Por lo tanto, un balance completo de nitrógeno de la planta piloto debe comparar:
[ N_{\text{in}}
N_{\text{biomass}} + N_{\text{nitrite}} + N_{\text{residual}} + N_{\text{other outputs}} ]
El cálculo estequiométrico estima el componente de biomasa, mientras que los análisis del afluente y el efluente verifican si el balance general de nitrógeno es razonable.
Incluir los requisitos de carbono y oxígeno
La reacción también indica que la oxidación del amonio y la síntesis celular requieren dióxido de carbono y oxígeno. Por lo tanto, la estimación de biomasa debe comprobarse con:
- Carbono inorgánico disponible
- Capacidad de aireación
- Mediciones de oxígeno disuelto
- Producción de nitrito observada
- Sólidos suspendidos medidos
Si el reactor no dispone de suficiente carbono u oxígeno, la producción teórica de biomasa superará la cantidad que realmente puede formarse.
Considerar la retención de biomasa y el manejo de sólidos
La producción bruta no es igual a los lodos purgados
El resultado estequiométrico representa la producción bruta de biomasa nueva. La cantidad que sale de la planta piloto como lodo purgado depende de la retención de sólidos, la sedimentación, el reciclaje, el muestreo y la descomposición endógena.
Un balance simplificado de sólidos netos es:
[ P_{\text{net solids}}
P_{\text{gross biomass}}
P_{\text{decay}} ]
La biomasa retenida en el reactor o devuelta mediante corrientes de recirculación también debe incluirse al calcular la tasa de descarga de sólidos.
Considerar la digestión aerobia posterior
La digestión aerobia de lodos es una operación posterior independiente. Proporciona aireación adicional sin alimentación externa, lo que hace que los microorganismos entren en respiración endógena y consuman parte de su propio material celular.
La referencia complementaria indica que la digestión aerobia puede producir aproximadamente una reducción del 50 % de los sólidos suspendidos totales, con tiempos de retención celular e hidráulica de aproximadamente 15 a 25 días. Esta reducción debe aplicarse después de estimar la biomasa generada en el reactor de eliminación de amonio, en lugar de confundirse con el rendimiento inicial de biomasa estequiométrico.
Comprender las compensaciones
El rendimiento teórico puede superar los sólidos observados
El rendimiento estequiométrico supone que la reacción ocurre tal como se representa y que los reactivos necesarios están disponibles. Los sólidos medidos realmente pueden ser inferiores debido a la respiración endógena, la lisis celular, la energía de mantenimiento, la captura incompleta y la salida de sólidos con el efluente.
La base analítica debe mantenerse coherente
Un error frecuente es mezclar concentraciones de NH4+ y NH4-N en el mismo cálculo. Identifique siempre si el resultado de laboratorio informa la masa del ion amonio completo o solo el nitrógeno contenido en dicho ion.
La reacción representa una vía biológica específica
La ecuación proporcionada describe la oxidación del amonio asociada con la formación de biomasa y la producción de nitrito. No debe aplicarse automáticamente a todas las vías de eliminación de nitrógeno, especialmente cuando predominan diferentes organismos, aceptores de electrones, fuentes de carbono o reacciones.
La composición de la biomasa es una aproximación
C5H7O2N es una representación empírica del tejido celular. Es útil para cálculos de diseño y para la enseñanza de balances de masa, pero las comunidades microbianas reales varían en composición y pueden contener polímeros almacenados, material inorgánico y sólidos adheridos.
Tomar la decisión adecuada según su objetivo
Utilice el cálculo con el nivel de detalle requerido por el objetivo de la planta piloto:
- Si su objetivo principal es la producción teórica de biomasa: Calcule la carga de amonio consumida y multiplíquela por
0.114 g de biomasa/g de NH4+o0.147 g de biomasa/g de NH4-N. - Si su objetivo principal es el diseño del reactor: Combine la estimación de biomasa con la demanda de oxígeno, la disponibilidad de carbono, la carga hidráulica y los requisitos de retención de sólidos.
- Si su objetivo principal es la descarga de lodos medida: Ajuste la producción bruta de biomasa por la descomposición, la retención, el reciclaje, los sólidos del efluente y la digestión aerobia posterior.
- Si su objetivo principal es validar la planta piloto: Compare la biomasa y los productos nitrogenados calculados con los datos medidos de sólidos suspendidos, amonio, nitrito, oxígeno y carbono.
Con unidades coherentes y un balance completo de sólidos y nitrógeno, la conversión de amonio puede proporcionar una estimación defendible de la producción de biomasa en una planta piloto de operaciones unitarias ambientales.
Tabla resumen:
| Elemento clave | Cálculo o guía |
|---|---|
| Carga de amonio afluente | Q x C_in |
| Amonio consumido | Q x (C_in - C_out) o carga afluente x fracción de eliminación |
Rendimiento a partir de NH4+ |
0.114 g de biomasa/g de NH4+ consumido |
Rendimiento a partir de NH4-N |
0.147 g de biomasa/g de NH4-N consumido |
| Ejemplo de planta piloto | 80 g de NH4-N/d x 0.147 = 11.8 g de biomasa/d |
| Biomasa bruta frente a neta | Ajustar por la descomposición, la retención, el reciclaje, los sólidos del efluente y la purga de lodos |
| Datos de validación | Comparar las estimaciones de biomasa con las mediciones de amonio, nitrito, oxígeno, carbono y sólidos suspendidos |
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