modelación de procesos biológicos en ptar

MODELACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS EN MODELACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS

RESIDUALESRESIDUALES

Universidad del Norte Encuentros Ambientales

Ph. D. FRANCISCA GARCÍA USACH

Barranquilla, 2005

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

U.V.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA Y

MEDIO AMBIENTEU.P.V.

Modelos matemáticos

Límites de vertido más restrictivos

Recuperación energética

Incremento del rendimiento de la EDARModelos matemáticos:

Investigación

Diseño

Control

Optimización

Los modelos más utilizados:ASM2d de la IWA.

ADM1 para procesos de digestión anaerobia

CONCLUSIONESBNRM1ASM2d

DEFINICIONESINTRODUCCIÓN

Calibración selectiva de los parámetros de alta influencia para cada sistema objeto de

estudio.

Información que se obtiene de los valores de los parámetros del modelo matemático:

Comportamiento del sistema

Inhibiciones del proceso

Competencia entre distintas poblaciones de microorganismos

Modelos matemáticosCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Cantidad de material celular formado

Cantidad de sustrato consumidoY =

Depende de la cantidad de ATP generado:Estado de oxidación del sistema

Organismo que participa

Condiciones ambientales:

Aceptor de electrones

Y aerobio > Y anóxico > Y anaerobio

pH

temperatura

Rendimiento del crecimientoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


• Cinética de Monod de primer orden

Conc. de sustrato (mg l-1)

µ (h-1)

µm

0.5 µm

KS 0.2

0.4

0.6

0.8

0 20 40 60 80B

21S

1mXB X

SKK

SKSr

+⋅

+µ=

BS

mXB XSK

Sr

+µ=

Cinética del crecimientoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Factores de influencia sobre los parámetros cinéticos:

pHTemperatura Ecuación de Arrhenius modificada

K1 = K2 a(T1-T2)

Grado de dependencia a Procesos

Ninguno 1.00 • Precipitación química

Bajo 1.04 • Asociados a las bacterias PAO excepto para el procesos de lisis

• Hidrólisis

Medio 1.07

• Asociados a las bacterias heterótrofas

• Fermentación

• Lisis de las bacterias PAO

Alto 1.12 • Nitrificación

Cinética del crecimientoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Desaparición de la biomasa:Mantenimiento:

de las funciones biológicas del organismo (metabolismo endógeno)

Predación: organismos superiores de la cadena trófica utilizan las bacterias como alimento.

Muerte y lisis: ruptura de la pared celular e hidrólisis del material celular que se convierte en sustrato.

Reducción de la biomasaCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Modelo Muerte-Regeneración (IWA)

BXB Xbr ⋅−=

SS XBCrecimiento

XIXS

Muerte y lisis

Hidrólisis

O2 + NH3 CO2 + H2O

Reducción de la biomasaCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


• Fracciones del sustrato en el agua residual:

Eliminación biológica de la MO B. heterótrofas

rápidamente

XS SS

Hidrólisis Biomasa

CO2

H2O

Crecimiento microbiano

Eliminación de Materia OrgánicaCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Velocidad de crecimiento de las bacterias heterótrofas:

HSS

SH

HXH X

SKS

dtdX

r+

µ==µH= f (tipo de sustrato y de microorganismo)

KS = f (tipo de sustrato y de microorganismo)

Velocidad de consumo de sustrato:

HSS

SH

HS X

SKS

Yr

S +µ−=

1

Eliminación de Materia OrgánicaCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Eliminación de N de las aguas residuales

Transformaciones del N en el tratamiento biológico:

Procesos Biológicos

Eliminación de NitrógenoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Eliminación de P en una EDAR:

Precipitación química con sales de Al, Ca o Fe

Eliminación biológica

Eliminación de FósforoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Eliminación biológica:

Alternancia de condiciones

anaerobias y aerobias

Ácidos grasos volátiles en la fase

anaerobia+

Se favorece el desarrollo de las bacterias acumuladoras de polifosfatos (PAO)

Las bacterias PAO son capaces de almacenar intracelularmente grandes cantidades de P como

polifosfatos.

Eliminación de FósforoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


XPHA

XPP XPP

XGlyXGly

SPO4

SA XPAO

SO/SNO

Anaerobio Aerobio/Anóxico

Eliminación de Fósforo: Bacterias PAO CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Incluye los procesos de eliminación de MO, N y P.

Matriz estequiométrica: Velocidad de reacción del

componente i (ri)

i : componente

j : proceso

υi,j : coeficiente estequiométrico del componente i en el

proceso j

rj : cinética del proceso j

∑=

υ=n

1jjj,ii rr

Modelo matemático: ASM2dCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Componentes solublesSF (mgDQO/l): Sustrato fermentable solubleSA (mgDQO/l): Ácidos volátilesSI (mgDQO/l): Materia orgánica soluble inerteSO2 (mgDQO/l): Oxígeno disueltoSPO4 (mgP/l): Fósforo soluble inorgánico (ortofosfato)SNH4 (mgN/l): Nitrógeno amoniacal SNO3 (mgN/l): Nitrógeno oxidado (nitrato + nitrito)SN2 (mgN/l): Nitrógeno gaseosoSALK (mgHCO3

-/l): Alcalinidad del agua residual

Modelo matemático ASM2dCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Componentes particuladosXAUT (mgDQO/l): Organismos autótrofosXH (mgDQO/l): Organismos heterótrofosXPAO (mgDQO/l): Organismos acumuladores de polifosfatosXPHA (mgDQO/l): Sustrato almacenado intracelularmente por las bacterias PAOXPP (mgP/l): PolifosfatosXS (mgDQO/l): Sustrato lentamente biodegradable XI (mgDQO/l): Materia orgánica particulada inerteXSST (mgSST/l): Sólidos suspendidos totales


BNRM1ASM2d


Componente → i

j ↓ Proceso

SF SNH4 SPO4 SI SALK XS

1 Hidrólisis aerobia 1-fSI ν1,NH4 ν1,PO4 fSI ν1,ALK -1

2 Hidrólisis anóxica 1-fSI ν2,NH4 ν2,PO4 fSI ν2,ALK -1

3 Hidrólisis anaerobia 1-fSI ν3,NH4 ν3,PO4 fSI ν3,ALK -1

j. ↓

Proceso Velocidad de reacción

1 Hidrólisis aerobia H

HSX

HS

2O2O

2Oh X

XXKXX

SKS

K ⋅+

⋅+

⋅

2 Hidrólisis anóxica H

HSX

HS

3NO3NO

3NO

2O2O

2O3NOh X

XXKXX

SKS

SKK

K ⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅

3 Hidrólisis anaerobia H

HSX

HS

3NO3NO

3NO

2O2O

2Ofeh X

XXKXX

SKK

SKK

K ⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅

Procesos de hidrólisis


BNRM1ASM2d


Matriz estequiométrica de las bacterias heterótrofas

Componente → i SO2 SF SA SNO3 SN2 XI XS XH

j ↓ Proceso

4 Crecimiento aerobio

sobre SF H

HY

)Y1( −−

HY1

− +1

5 Crecimiento aerobio sobre SA

H

HY

)Y1( −−

HY1

− +1

6 Crecimiento anóxico sobre SF

HY1

− H

HY86.2

)Y1(⋅

−−

H

HY86.2

)Y1(⋅

− +1

7 Crecimiento anóxico sobre SA

HY1

− H

HY86.2

)Y1(⋅

−−

H

HY86.2

)Y1(⋅

−

+1

8 Fermentación -1 +1

9 Lisis fXI 1-fXI -1


BNRM1ASM2d


Ecuaciones cinéticas de las bacterias heterótrofas

j. ↓


4 Crecimiento aerobio sobre SF

H4POP

4PO

ALKALK

ALK

4NH4NH

4NH

FA

F

FF

F

2O2O

2OH X

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKS

++++++µ

5 Crecimiento aerobio sobre SA

H4POP

4PO

ALKALK

ALK

4NH4NH

4NH

FA

A

AA

A

O2O

2OH X

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKS

2++++++

µ

6 Crecimiento anóxico sobre SF

H4POP

4PO

ALKALK

ALK

3NO3NO

3NO

4NH4NH

4NH

FA

F

FF

F

2O2O

2O3NOH X

SKS

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKK

+++++++η⋅µ

7 Crecimiento anóxico sobre SA

H4POP

4PO

ALKALK

ALK

3NO3NO

3NO

4NH4NH

4NH

FA

A

AA

A

2O2O

2O3NOH X

SKS

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKK

+++++++η⋅µ

8 Fermentación H

ALKALK

ALK

3NO3NO

3NO

Ffe

F

2O2O

2Ofe X

SKS

SKK

SKS

SKKq

++++

9 Lisis de XH HHXb


BNRM1ASM2d


Componente → i

j ↓ Proceso

SO2 SNH4 SNO3 SPO4 XI XS XAUT

16 Crecimiento aerobio AY

)AY57.4( −−

AY1iNBM −−

AY1

PBMi− +1

17 Lisis

fXI 1-fXI -1

Procesos de las bacterias autótrofas

j. ↓ Proceso Velocidad de reacción

16 Crecimiento aerobio de XAUT AUT4POP

4PO

ALKALK

ALK

4NH4NH

4NH

2O2O

2OAUT X

SKS

SKS

SKS

SKS

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅µ

17 Lisis de XAUT AUTAUT Xb ⋅


BNRM1ASM2d


Matriz estequiométrica de las bacterias PAO

Componente → i

j ↓ Proceso

SO2 SA SPO4 XI XS XPAO XPP XPHA

10 Almacenamiento de XPHA -1 4POY 4POY− 1

11 Almacenamiento de XPP PHAY− -1 1 PHAY−

12 Crecimiento aerobio

PAO

PAOY

)Y1( − PBMi− 1

PAOY1

−

13 Lisis de XPAO fXI 1-fXI -1

14 Ruptura de XPP 1 -1

15 Ruptura de XPHA 1 -1


BNRM1ASM2d


Ecuaciones cinéticas de las bacterias PAO

j. ↓


10 Almacenamiento de XPHA PAO

PAOPPPP

PAOPP

ALKALK

ALK

AA

APHA X

XXKXX

SKS

SKSq

+++

11 Almacenamiento de XPP ( ) PAO

PAOPPMAXIPP

PAOPPMAX

PAOPHAPHA

PAOPHA

ALKALK

ALK

4POPS

4PO

2O2O

2OPP X

XXKKXXK

XXKXX

SKS

SKS

SKSq

−+−

++++

12 Crecimiento aerobio de XPAO PAO

PAOPHAPHA

PAOPHA

4POP

4PO

ALKALK

ALK

4NH4NH

4NH

2O2O

2OPAO X

XXKXX

SKS

SKS

SKS

SKS

+++++µ

13 Lisis de XPAO PAO

ALKALK

ALKPAO X

SKSb+

14 Lisis de XPP PP

ALKALK

ALKPP X

SKSb+

15 Lisis de XPHA PHA

ALKALK

ALKPHA X

SKSb+


BNRM1ASM2d


Biological Nutrient Removal Model No.1

Perspectiva diferente de la modelación determinística para procesos biológicos: un único modelo para simular procesos físicos, químicos y biológicos.

Puede ser utilizado para el diseño y simulación de las principales operaciones de tratamiento de una EDAR.

Modelo matemático: BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Principales ventajas del modelo:

Las interrelaciones entre las diferentes unidades del proceso pueden ser tenidas en cuenta con una única herramienta de simulación.Considera los efectos de las recirculaciones desde la línea de fangos a la corriente principal. Permite optimizar el funcionamiento global de la planta.Considera los tres tipos de bacterias: aerobias, facultativas y anaerobias. Las condiciones ambientales en cada unidad de tratamiento determinan qué grupos pueden proliferar.Las conversiones artificiales de biomasa a materia orgánica biodegradable no son necesarias para enlazar los procesos de tratamiento del agua con los de fangos.

Modelo matemático: BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Dec.Prim Anaeróbico Anóxico Aeróbico Dec.

Sec.

Rec. interna

Espes.

Deshidrat.mecánica

Ferment.

DigestiónAerobia

DigestiónAnaerobia

Rec. de fangos

Posibilidades del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


El modelo BNRM1 considera los procesos físicos, químicos y biológicos más importantes que tienen lugar en una EDAR.

Procesos físicos:Procesos de sedimentación, clarificación y espesamientoElutriación de AGVProcesos de transferencia de materia gas-líquido

Procesos químicos:Precipitación química de fósforoInteracciones ácido-base

Procesos biológicos:Fangos activados: Eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforoFermentación de fango primario: Acidogénesis, AcetogénesisDigestión aerobia: Eliminación de materia orgánica, nitrificaciónDigestión anaerobia: Acidogénesis, Acetogénesis, Metanogénesis

BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Solubles (13)SA

SCH4

SF

SH2

SI

SIC

SN2

SNH4

SNO3

SO2

SPO4

SPRO

STH

Suspendidos (14)XACET (B. acetogénicas)

XACID (B. acidogénicas)

XAUT (B. autótrofas)

XH (B. heterótrofas)

XI

XMAC (B. acetoclásticas)

XMeOH

XMeP

XMH2 (B. hidrogenotróficas)

XPAO (B. PAO)

XPHA

XPP

XS

XTSS

Componentes del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Dos tipos de procesos de acuerdo con la escala de tiempo:

Procesos bioquímicos y físicos ⎯→ Cinéticos

Interacciones ácido-base ⎯→ Gobernados por el equilibrio

Procesos del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Procesos incluidos para la eliminación de DQO, N y P.

Basados en el modelo ASM2d con algunas modificaciones:El proceso de fermentación lo llevan a cabo bacteriasacidogénicas y está asociado al crecimiento de estas bacterias.

Se ha incluido un modelo químico, capaz de calcular el pH del medio.

El componente SALK ha sido eliminadoLas funciones switch de alcalinidad se han reemplazado por funciones switch de pH

pHHpH,I

pH,I

HpH

HpH f

1SK

KSK

SI ⋅+

⋅+

=

Procesos biológicos del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Procesos incluidos para la digestión anaerobia.4 grupos de bacterias: acidogénicas, acetogénicas, metanogénicashidrogenotróficas y metanogénicas acetoclásticas.La caracterización del agua residual requerida es similar al modelo ASM2d.

Crecimiento de microorganismos.Las condiciones ambientales en cada unidad de tratamiento determinan qué grupo de bacterias puede crecer.Esta “selección natural” se modela a través de funciones switch

Procesos biológicos del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Procesos gobernados por el equilibrioInteracciones ácido-base:

CarbonatoAmonioFosfatoAcetatopropionato

Expresiones para estas interacciones:

Balance de materia

Ley de acción de masas ∏=

⋅=N

1j

ajiiijxKC

∑=

⋅=N

1iiijj CaT

i = 1, 2 …. N (num. especies)

j= 1, 2 …. N (num. componentes)

Procesos de equilibrio del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Procesos de sedimentación

Modelo unidimensional basado en la teoría del flujo (Kynch, 1952).

Decantador dividido en capas ⎯→ Reactores continuos de tanque agitado donde se producen los procesos biológicos.

Velocidad de sedimentación (Takács et at., 1991), corregida por una función de compresión en las capas inferiores.

Procesos sedimentación del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


BNRM1 implementado en el software de simulación DESASS

DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems.Desarrollado por el grupo de investigación CALAGUA.Lenguajes de programación: Visual Basic 6.0

Las ecuaciones diferenciales para los procesos cinéticos se resuelven utilizando las librerías matemáticas de FortranPowerStation 4.0La composición en equilibrio químico se obtiene utilizando el software de libre distribución Minteqa2 (Allison et al., 1991)

Implementación del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Proceso de resolución: Proceso iterativo secuencial entre el sistema de ecuaciones diferenciales de los procesos cinéticos y el sistema de ecuaciones algebraicas de las interacciones químicas.

Procesos cinéticos

Procesos de equilibrio

Convergencia Fin

si

no

Estado Estacionario

Inicio

Estado No Estacionario

Procesos cinéticos

Procesos de equilibriot=0 t = t +∆t Fint > tMax?

no

si

Implementación del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


TÍTULO

Las principales aplicaciones del modelo son:

Diseño de nuevas EDARsDiagnóstico y optimización de plantas existentesInvestigación y desarrollo de nuevos procesosEnseñanza y entrenamiento del personal.Desarrollo y prueba de nuevos sistemas de control

Aplicaciones del BNRM1CONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Diseño de Plantas: EDAR de Peñíscola

Peñíscola es una ciudad turística cuya población cambia significativamente entre invierno y verano.Agua residual influente


BNRM1ASM2d


Características del diseño de la EDAR de Peñíscola

Eliminación biológica de N y P

Temporada baja: condiciones de oxidación total

Temporada alta: proceso convencional,

digestión aerobia

posterior precipitación de PO4 en el sobrenadante de la digestión

Aplicaciones del BNRM1: DiseñoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Aerobio

Digestiónaerobia

Digestiónaerobia

Tratamientoterciario

Decantador secundario

Decantador secundario

EspesadorDeshidrat.Precipitaciónquímica

Ana

erob

io

AerobioA

nox.

–A

er. 41 2 3

Ana

erob

io

Anae

r.-A

nox.

Ano

x. –

Aer

. 41 2 3

Anae

r.-A

nox.

Aplicaciones del BNRM1: DiseñoCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Diagnóstico y optimización de plantas existentes

El modelo debe ser calibrado mediante:Experimentos off-line de laboratorio para parámetros de elevada influencia.Ajuste de los parámetros de baja influencia ajustando las predicciones del modelo a los datos reales de la planta en funcionamiento.

El modelo calibrado puede ser utilizado para detectar problemas de funcionamiento y probar diferentes estrategias de operación mediante simulación.

Se han estudiado diversas EDAR, modificando los criterios de operación de acuerdo con los resultados de la simulación. (Elche, Elda, Orihuela, Ibi, Vall del Vinalopó, Buñol-Alborache, Alcoi, Alicante, Canals, Carraixet, Sagunto, Vila-Real, …)


BNRM1ASM2d


Factores que influyen en los valores de los parámetros de alta influencia:

Calidad del agua influente

Componente industrial en el agua residual

µAUT = 0.55 d-1 bAUT = 0.26 d-1

µAUT = 1.00 d-1 bAUT = 0.15 d-1ASM2d →

Comportamiento del sistemaInhibiciones del proceso

Aplicaciones del BNRM1: DiagnósticoCONCLUSIONES

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Investigación y desarrollo de nuevos procesos

El modelo ha sido utilizado para reproducir los resultados obtenidos en diferentes proyectos de investigación, así como estudiar la influencia de los parámetros de operación:

Fermentadores de laboratorio y planta piloto para fermentación de fango primario.Planta piloto con esquema UCT para eliminación biológica de N y P.SBR de laboratorio para eliminación de fósforo.

Permite estudiar la viabilidad de nuevos esquemas de tratamiento para la eliminación de nutrientes de aguas residuales industriales.


BNRM1ASM2d


Enseñanza y entrenamiento del personalDESASS esta siendo utilizando por operadores de planta para mejorar su conocimiento de los procesos biológicos y probar diferentes criterios de operación.También se está utilizando para enseñanza universitaria en Ingeniería Química, Ingeniería de Caminos y Ciencias Ambientales.

Desarrollo y prueba de nuevos sistemas de controlPredicciones del modelo (SO2, SNO3, SPO4, pH) consideradas como medidasreales. Algoritmos de control pueden modificar caudales. DESASS contiene los datos necesarios para el diseño y simulación del funcionamiento de sistemas de aireación.Sistema de control aireación EDAR Algemesí: Fue primero desarrollado y probado mediante estudios de simulación.


BNRM1ASM2d


El modelo BNRM1 incluye los principales procesos biológicos y físico-químicos que tienen lugar en una EDAR. Considera los procesos anaerobios, facultativos y aerobios.

Puede ser utilizado para el diseño, simulación y optimización del funcionamiento global de la planta.

Tiene en cuenta las interacciones entre la línea de agua y la línea de fangos.

La caracterización requerida del agua residual es similar al ASM2d.

El modelo ha sido aplicado exitosamente, con diferentes funciones y objetivos, en el tratamiento de aguas residuales.

ConclusionesCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


Se está investigando en esta línea para incluir otros procesos implicados en los sistemas de eliminación biológica de nutrientes.

Precipitación química → digestión anaerobia, y SBR para la eliminación biológica de fósforo.

Procesos llevados a cabo por las GAOs → en plantas con eliminación biológica de fósforo

Desarrollos futurosCONCLUSIONES

BNRM1ASM2d


MODELACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS EN MODELACIÓN DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS

RESIDUALESRESIDUALES

Universidad del Norte Encuentros Ambientales

Ph. D. FRANCISCA GARCÍA USACH

Barranquilla, 2005

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

U.V.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA Y

MEDIO AMBIENTEU.P.V.

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