paloma grau.desbloqueado

UNIVERSIDAD DE NAVARRA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALESSAN SEBASTIN

NUEVA METODOLOGA DE MODELADO MATEMTICO INTEGRAL DE LAS EDAR

MEMORIAque para optar al Grado de Doctor por la Universidad de Navarra presenta PALOMA GRAU GUMBAU bajo la supervisin de: Eduardo Ayesa Iturrate

San Sebastin, mayo de 2007

ServiciodePublicacionesdelaUniversidaddeNavarra ISBN8480811412

A mis padres

Por encima de las diferencias que las distinguen, hay una especial y profunda semejanza entre ciencia y fe en aquella tensin de continua bsqueda que anima a las dos Juan Pablo II a los investigadores

AGRADECIMIENTOSAl terminar esta tesis, no puedo dejar de mirar atrs y recordar el trayecto seguido hasta llegar aqu. En todos los recuerdos que me vienen a la cabeza aparecis vosotros, que con vuestra ayuda, apoyo y amistad habis sido decisivos en este trabajo. A algunos os conozco desde siempre. A muchos otros, he tenido la suerte de conoceros durante estos aos y quiero agradeceros de forma especial vuestra buena acogida y el haber conseguido que siempre me haya sentido como en casa. En primer lugar quiero agradecer a Eduardo Ayesa la confianza depositada en m para llevar a cabo este trabajo, su implicacin y su valiosa ayuda. Muchsimas gracias por todo lo que tanto profesional como humanamente, has aportado en mi formacin durante estos aos. A Alejo Avello y Jose Mara Bastero por haberme dado la oportunidad de realizar esta tesis doctoral en el CEIT. A Carlos Bastero por su confianza en m dndome la oportunidad de realizar una tarea docente en la Escuela de Ingenieros de San Sebastin. Ha sido y est siendo una experiencia irrepetible de la que cada da aprendo algo distinto. Muchas gracias por tu apoyo y tus consejos durante estos aos. A los investigadores del departamento de Ingeniera Medioambiental. A Luis Larrea por darme la oportunidad de empezar en el departamento, por su disponibilidad a resolverme cualquier duda y por sus visitas ocasionales al despacho amenizando algunos momentos. A Ion Irizar por ensearme qu es la perfeccin en el trabajo, por su ayuda en muchos aspectos de esta tesis y por todas sus conversaciones autnticas que siempre me hacen pensar. A Luis Sancho por responderme siempre a todas mis preguntas filosficas acerca del mundo de las bacterias. A Antonio Salterain por su ayuda cuando la he necesitado y todos sus sabios consejos. A Jaime Luis Garca de las Heras por sus palabras de nimo. Por supuesto, tambin quiero agradecer a Jaime Gonzlez y Bixen del Barrio su buena acogida desde el primer da que llegu. A Mnica de Gracia por su colaboracin y ayuda en esta tesis. Tambin quiero agradecerle su amistad desde el primer momento y el haber estado ah siemprei

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Agradecimientos

que la he necesitado durante estos aos. El haber recorrido este camino de forma paralela ha hecho que muchos momentos, sobretodo los de ms agobio, tuvieran su lado divertido. Gracias por todo. Tambin quiero agradecer a Sergio Beltrn su colaboracin en este trabajo y el haber estado siempre dispuesto a ayudarme cuando lo he necesitado. A todos mis compaeros en el departamento. Especialmente quiero agradecer su amistad y apoyo siempre que he recurrido a ellos a Esti, Jairo, Cristina, Claudia Saioa S., Enrique, Garbie, Leire y Janelcy. Especialmente a Janelcy quiero agradecerle sus palabras de nimo y su ayuda en estos ltimos meses. Por supuesto, tambin quiero agradecer a Jon, Teresa, Maite, Saioa A., Elena y Alain su buena disposicin para cualquier cosa. Especialmente a Alain, le agradezco el haberme resuelto siempre mis problemillas con el WEST y a Jon, su ayuda con la asignatura de Qumica. No me olvido de Maria Elena Hidalgo a quien le agradezco toda su ayuda y dedicacin en mis inicios en el mundo de los modelos matemticos. Agradezco la aportacin del Consorcio de Aguas Bilbao-Bizcaia, a las empresas MSI, S. Coop. y Cadagua S.A.y al Gobierno Vasco su aportacin en el proyecto realizado en el marco de esta tesis. Un agradecimiento especial a Jose Mari Sagarna y Joaquin Suescun. I would like to thank Peter Vanrolleghem my staying at Ghent University, from which I have very good memories, and his collaboration and help in this work. Thanks to Usama Zaher for his collaboration during those days. En estas pginas, tambin quiero acordarme de todos mis alumn@s desde la promocin XLI hasta la promocin XLVI. Especialmente quiero dar las gracias a mis asesoradas, y a todos aquell@s que durante estos aos me han brindado su confianza y amistad. Vosotros habis sido una de las mejores partes y ms divertidas de todos estos aos, y los que muchas veces me habis animado a seguir con este trabajo. A todo el personal de la Escuela de Ingenieros por su disponibilidad y su trato increble. Especialmente quiero agradecer a l@s profesor@s Aitizber Lpez, Paz Morer, Menchu Blanco, MJess lvarez y D. Francisco Jos Marn, toda su ayuda y sus consejos acerca de la docencia. Muchas gracias. A Mariajo, Valen, Ane, Elena e Ins. Con vosotras he vivido muy buenos momentos y recuerdos inolvidables durante todos estos aos. Aunque nuestras circunstancias han ido cambiando en este tiempo, hemos seguido manteniendo nuestra amistad y eso es lo que cuenta. A todas quiero daros las gracias por ser

Agradecimientos

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tan buenas amigas. Por supuesto, tambin quiero agradecer a Itziar, Maite, Sergio y Arantza su amistad sincera desde el principio y el haberme integrado tan bien en las costumbres vascas, y navarras claro. A mi profe de ingls y amiga Rousmary, thanks for everything. Finalmente quiero dar las gracias a mi familia. A Mercedes, Germn y Bea el haber estado dispuestos a ayudarme en cualquier momento. Por supuesto a Rosa, Vicente y Alicia. A mi hermana Rosa quiero darle las gracias por haber estado siempre ah y por todos sus consejos, que siempre han sido acertados. Sabes que en esta tesis t has tenido mucho que ver. A mi hermana Alicia quiero agradecerle sus palabras de nimo en todo momento, su optimismo y alegra y sus visitillas veraniegas que han sido las mejores. A mis padres. Gracias por vuestra confianza en m desde el principio y vuestro apoyo incondicional en las decisiones que he tomado. Nunca voy a poder devolveros todo lo que habis hecho por m, y porque os lo debo todo, a vosotros os dedico esta tesis con todo mi cario. Por ltimo quiero dar las gracias de forma muy especial a Diego. T has estado conmigo cada da y me has dado mucha fuerza para llegar hasta aqu con tu ayuda y tu paciencia infinita. Muchas gracias porque durante este ao y medio (casi) que estamos casados, todos los das, incluso los difciles, has sabido hacerme rer. Eres el mejor.

NDICEAGRADECIMIENTOS.................................................................................................. I NDICE...........................................................................................................................V NDICE DE FIGURAS ............................................................................................... XI NDICE DE TABLAS ................................................................................................XV RESUMEN ...............................................................................................................XVII INTRODUCCIN..........................................................................................................1 0.1 0.2 0.3 Planteamiento del problema ..........................................................................1 Objetivos de la Tesis .....................................................................................3 Contenido de la Memoria ..............................................................................4

REVISIN BIBLIOGRFICA.....................................................................................7 1.1 Introduccin...................................................................................................7 1.2 Procesos bioqumicos, qumicos y fsico-qumicos que tienen lugar en una EDAR urbana...............................................................................................................8 1.2.1 Procesos bioqumicos ...............................................................................8 1.2.1.1 Biodegradacin de materia orgnica ...............................................9 1.2.1.2 Oxidacin del nitrgeno ................................................................13 1.2.1.3 Captacin y liberacin biolgica del fsforo inorgnico...............15 1.2.2 Equilibrios qumicos...............................................................................16 1.2.3 Transferencias lquido-gas......................................................................17 1.3 Tecnologas empleadas en EDAR urbanas..................................................18 1.3.1 Tecnologas empleadas en el tratamiento primario.................................18 1.3.2 Tecnologas empleadas en el tratamiento secundario .............................19 1.3.2.1 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica .......................................................................................................20 1.3.2.2 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno.........................................................................................21 1.3.2.3 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica, nitrgeno y fsforo ...........................................................................23 1.3.3 Tecnologas de tratamiento de los fangos producidos en la EDAR........24 1.3.3.1 Tecnologas de espesamiento de fangos........................................25 1.3.3.2 Tecnologas de digestin de fangos...............................................26 1.4 Modelado matemtico de los procesos que tienen lugar en una EDAR ......28v

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1.4.1 Modelado matemtico en el tratamiento de aguas residuales .................30 1.4.1.1 Formato y notacin empleada en los modelos matemticos de sistemas de fangos activados (ASM) de la IWA ..............................................33 1.4.1.2 Modelo del sistema de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno ASM1 ................................................................35 1.4.1.3 Modelo del sistema de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica, nitrgeno y fsforo ASM2/ASM2d .....................................37 1.4.1.4 Modelo del sistema de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno ASM3 ................................................................39 1.4.2 Modelado matemtico en la digestin anaerobia de fangos....................41 1.4.3 Modelo de digestin anaerobia ADM1...................................................43 1.5 Modelado integral de EDAR .......................................................................45 1.5.1 Interfaces entre modelos estndar...........................................................46 1.5.1.1 Interfaces ASM1-ADM1 propuestos por Copp et al. 2003 ...........46 1.5.1.2 Interfaces CBIM............................................................................52 1.5.2 Modelo nico..........................................................................................53 1.5.2.1 Modelo general BioWin ................................................................54 1.5.2.2 Modelo biolgico BNRM1............................................................55 1.6 Conclusiones ...............................................................................................55 METODOLOGA PWM PARA EL MODELADO INTEGRAL DE EDAR .........59 2.1 Introduccin.................................................................................................59 2.2 Descripcin de la Metodologa PWM .........................................................61 2.3 Lista Global de Transformaciones (LT) ......................................................62 2.3.1 Continuidad de masa y carga en la definicin de la estequiometra .......64 2.3.1.1 Descripcin de los componentes ...................................................64 2.3.1.2 Ecuacin de continuidad en las transformaciones.........................74 2.3.2 Trminos de activacin e inhibicin incluidos en las ecuaciones cinticas ................................................................................................................75 2.3.2.1 Trminos de activacin/inhibicin en funcin de las condiciones ambientales .......................................................................................................75 2.3.2.2 Trminos de activacin correspondientes a componentes fuentesumidero .......................................................................................................77 2.3.2.3 Trminos de inhibicin por pH .....................................................78 2.3.3 Descripcin de las transformaciones en base a su estequiometra y cintica ................................................................................................................81 2.3.3.1 Transformaciones bioqumicas .....................................................82 2.3.3.2 Transformaciones qumicas.........................................................101 2.3.3.3 Transformaciones fsico-qumicas ..............................................102 2.3.3.4 Parmetros estequiomtricos y cinticos utilizados en las transformaciones ............................................................................................104 2.4 Procedimiento sistemtico para la construccin de Modelos Integrales de EDAR ...................................................................................................................113 2.4.1 Construccin del Modelo de Transformaciones de Planta (PTM)........113 2.4.1.1 Seleccin de los Procesos Biolgicos .........................................114

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2.4.1.2 Seleccin de las poblaciones activas de bacterias requeridas para describir los Procesos Biolgicos...................................................................114 2.4.1.3 Seleccin de las transformaciones bioqumicas asociadas las poblaciones activas de bacterias.....................................................................115 2.4.1.4 Incorporacin de las transformaciones de equilibrios cido-base y lquido-gas .....................................................................................................117 2.4.2 Construccin de los Modelos de Proceso Unitario (UPM)...................121 2.5 Construccin de los Modelos Integrales de EDAR (PWM) ......................123 2.6 Anlisis estequiomtrico basado en el Vector de Componentes de Planta (PCV) ...................................................................................................................123 2.7 Conclusiones .............................................................................................124 APLICACIN DE LA METODOLOGA PWM AL CASO DE ESTUDO BSM2 ......................................................................................................................................125 3.1 Introduccin...............................................................................................126 3.2 Descripcin de la EDAR BSM2 ................................................................127 3.3 Construccin del modelo integral de EDAR BSM2 (BSM2 PWM) .........128 3.3.1 Construccin del Modelo de Transformaciones de Planta....................128 3.3.2 Construccin de los Modelos de Proceso Unitario ...............................131 3.3.2.1 Modelo de Proceso Unitario Reactor Biolgico..........................132 3.3.2.2 Modelo de Proceso Unitario Decantador primario......................138 3.3.2.3 Modelo de Proceso Unitario de decantador secundario ..............139 3.3.2.4 Modelos de Proceso Unitario espesador y separador slido-lquido 140 3.3.2.5 Descripcin de las interfaces entre el PCV y las variables compuestas XT y ST .........................................................................................141 3.3.3 Obtencin del modelo integral de EDAR BSM2 PWM .......................144 3.4 Validacin del modelo BSM2 PWM.........................................................144 3.4.1 Implantacin del modelo BSM2 PWM en la plataforma de simulacin WEST ..............................................................................................................144 3.4.1.1 Creacin de la categora de Modelos Integrales de EDAR (PWM) .. .....................................................................................................145 3.4.1.2 Construccin del modelo de EDAR BSM2 PWM en la plataforma de simulacin WEST......................................................................................145 3.4.2 Evaluacin por simulacin del modelo BSM2 PWM ...........................146 3.4.2.1 Validacin del BSM2 PWM en los procesos de eliminacin de materia orgnica y nitrgeno en condiciones aerobias y anxicas .................146 3.4.2.2 Validacin del modelo BSM2 PWM en el proceso de digestin anaerobia .....................................................................................................148 3.5 Anlisis comparativo de las diferentes propuestas de modelado integral de EDAR ...................................................................................................................149 3.5.1 Comparacin del BSM2 PWM con el Modelo Bioqumico nico.......150 3.5.2 Comparacin del BSM2 PWM con interfaces ASM1-ADM1..............150 3.5.2.1 Comparacin con las interfaces propuestos por Copp et al., 2003.... .....................................................................................................151 3.5.2.2 Comparacin con las interfaces CBIM ASM1-ADM1 ...............153

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Conclusiones .............................................................................................156

METODOLOGA DE CARACTERIZACIN AUTOMTICA DEL INFLUENTE...............................................................................................................159 4.1 4.2 Introduccin...............................................................................................159 Fundamentos: Relacin entre medidas analticas y componentes del modelo. ...................................................................................................................161 4.3 Caracterizacin del influente .....................................................................165 4.3.1 Parmetros de estimacin .....................................................................166 4.3.2 Restricciones consideradas ...................................................................167 4.3.3 Parmetros y variables de informacin.................................................169 4.3.4 Criterio de resolucin ...........................................................................169 4.3.5 Mtodo de minimizacin de la funcin objetivo ..................................172 4.4 Caso de aplicacin: Caracterizacin del agua residual influente a la EDAR de Galindo-Bilbao....................................................................................................174 4.4.1 Parmetros y variables de informacin.................................................175 4.4.2 Definicin de los parmetros de la funcin objetivo ............................178 4.4.3 Resultados obtenidos ............................................................................179 4.4.4 Caracterizacin del influente para modelos de fangos activados convencionales (ASM1 y ASM2) .......................................................................183 4.4.4.1 Caracterizacin del vector de componentes del ASM1...............183 4.4.4.2 Caracterizacin del vector de componentes del ASM2...............185 4.5 Conclusiones .............................................................................................186 OPTIMIZACIN DE LA OPERACIN DE LA EDAR DE GALINDO .............189 5.1 Introduccin...............................................................................................190 5.2 Descripcin de la EDAR de Galindo.........................................................191 5.2.1 Configuracin de la EDAR de Galindo ................................................192 5.2.1.1 Configuracin de la lnea de aguas..............................................192 5.2.1.2 Configuracin de la lnea de fangos ............................................194 5.2.2 Sistema SCADA convencional.............................................................195 5.2.3 Sistema SCADA supervisor..................................................................195 5.3 Modelo de la lnea de aguas de la EDAR de Galindo................................197 5.3.1 Construccin del Modelo LAguas Galindo PWM................................197 5.3.1.1 Construccin del Modelo de Transformaciones de Planta (PTM) .... .....................................................................................................198 5.3.1.2 Construccin de los Modelos de Proceso Unitario (UPM) .........199 5.3.1.3 Construccin del modelo LAguas Galindo PWM.......................199 5.3.2 Verificacin del modelo de la lnea de aguas de la EDAR de Galindo.201 5.3.2.1 Estudios previos de calibracin del modelo ASM1 en la EDAR de Galindo .....................................................................................................201 5.3.2.2 Verificacin del modelo LAguas Galindo PWM ........................203 5.4 Diseo de una estrategia de operacin ptima y control en la lnea de aguas de la EDAR de Galindo ...........................................................................................206 5.4.1 Estrategia ptima de operacin en la EDAR de Galindo......................207 5.4.2 Descripcin de la estrategia de control avanzado .................................208

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5.4.2.1 Control de amonio efluente .........................................................209 5.4.2.2 Control del proceso de desnitrificacin.......................................211 5.4.2.3 Control de la masa de slidos en los reactores ............................211 5.4.3 Calibracin de los controladores...........................................................213 5.4.3.1 Caracterizacin del proceso en lazo abierto ................................213 5.4.3.2 Sintonizacin de los parmetros del controlador.........................217 5.4.4 Verificacin por simulacin de la estrategia de control avanzado........218 5.4.5 Implantacin y validacin experimental en la EDAR real de Galindo de la estrategia de control avanzado ........................................................................222 5.5 Exploracin de la operacin integrada en la EDAR de Galindo................227 5.5.1 Exploracin de la operacin de la EDAR de Galindo con digestin anaerobia de fangos.............................................................................................228 5.5.1.1 Configuracin de la EDAR de Galindo con digestin anaerobia de fangos .....................................................................................................228 5.5.1.2 Construccin del modelo integral de EDAR de Galindo con digestin anaerobia LAguas+LFangos1 Galindo PWM.................................229 5.5.1.3 Resultados obtenidos en la exploracin ......................................233 5.5.2 Exploracin de la operacin de la EDAR con digestin anaerobia de fangos y tratamiento de sobrenadantes procedentes de digestor .........................239 5.5.2.1 Configuracin de la EDAR de Galindo con digestin anaerobia de fangos y tratamiento de sobrenadantes...........................................................239 5.5.2.2 Construccin del modelo integral con digestin anaerobia y procesos Sharon-Anammox LAguas+LFangos2 Galindo PWM ...................240 5.5.2.3 Resultados obtenidos en la exploracin ......................................243 5.6 Conclusiones .............................................................................................248 CONCLUSIONES Y FUTURAS LNEAS DE INVESTIGACIN.......................251 6.1 6.2 Conclusiones .............................................................................................251 Futuras lneas de investigacin..................................................................255

REFERENCIAS .........................................................................................................257 ANEXO A. CLCULO DE PARMETROS QUMICOS Y FSICO-QUMICOS ......................................................................................................................................269 A.1 A.2 A.3 A.4 Clculo de las constantes de los equilibrios qumicos ...............................269 Clculo de las constantes de Henry ...........................................................270 Clculo de la presin de vapor de equilibrio del agua ...............................271 Clculo de los coeficientes de transferencia lquido-Gas ..........................271

ANEXO B. ESTEQUIOMETRA, CINTICAS Y PARMETROS EMPLEADOS EN EL MODELO BSM2 PWM ................................................................................273 B.1 Modelo de transformaciones de Planta (PTM) y Vector de Componentes de Planta (PCV)............................................................................................................273 B.2 Variables de operacin y definicin del influente en el Modelo BSM2 PWM ...................................................................................................................281

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B.3 Prametros estequiomtricos y cinticos empleados en el PTM del modelo BSM2 PWM ............................................................................................................283 B.4 Prametros empleados en el transporte de masa de los modelos de proceso unitario (MPU).........................................................................................................287 ANEXO C. CONSTRUCCIN DE LAS INTERFACES CBIM ASM1-ADM1...289 C.1 C.2 C.3 Procedimiento de construccin de interfaces CBIM .................................289 Construccin deL interfaz CBIM ASM1 ADM1....................................294 Construccin del Interfaz CBIM ADM1 ASM1.....................................300

ANEXO D. MODELOS DE DECANTACIN EMPLEADOS EN EL MODELO BSM2 PWM ................................................................................................................305 D.1 D.2 Modelo de decantacin primaria Otterphol and Freud ..............................305 Modelo de capas para la decantacin secundaria ......................................310

ANEXO E. ESTEQUIOMETRA, CINTICAS Y PARMETROS EMPLEADOS EN LOS MODELOS GALINDO PWM ...................................................................315 E.1 Modelo de transformaciones de Planta (PTM) y Vector de Componentes (PCV) en el Modelo LAguas Galindo PWM ...........................................................315 E.2 Caracterizacin del influente en el Modelo LAguas Galindo PWM .........322 E.3 Estequiometra y Cinticas de las transformaciones incorporadas en el modelo LAguas+LFangos1 Galindo PWM .............................................................323 E.4 Estequiometra y Cinticas de las transformaciones incorporadas en el modelo LAguas+LFangos2 Galindo PWM .............................................................327 E.5 Prametros estequiomtricos y cinticos empleados en el PTM de los modelos Galindo PWM ...........................................................................................328 ANEXO F. ARTCULOS CIENTFICOS GENERADOS .....................................333

NDICE DE FIGURASFigura 1.1. Esquema del proceso de biodegradacin de materia orgnica en condiciones aerobias y anaerobias propuesto en Gijzen. (2001) .........................10 Figura 1.2. Esquema de la tecnologa de fangos activados convencional......................21 Figura 1.3. Esquema de la tecnologa de fangos activados contacto-estabilizacin......21 Figura 1.4. Esquema de la tecnologa de fangos activados DN .....................................22 Figura 1.5. Esquema de la tecnologa Bardenpho..........................................................22 Figura 1.6. Esquema de la tecnologa de alimentacin escalonada ...............................22 Figura 1.7. Esquema del sistema de fangos activados RDN...........................................23 Figura 1.8. Esquema de la tecnologa A2/O ...................................................................24 Figura 1.9. Esquema de la tecnologa UCT....................................................................24 Figura 1.10. Esquema de las lneas de aguas y fangos en una EDAR............................25 Figura 1.11. Componentes y transformaciones del modelo ASM1 .................................35 Figura 1.12. Componentes y transformaciones del modelo ASM2d ...............................38 Figura 1.13. Componentes y transformaciones del modelo ASM3 .................................40 Figura 1.14. Componentes y transformaciones del modelo ADM1 ................................44 Figura 1.15. Conversin de la DQO...............................................................................47 Figura 1.16. Conversin del TKN ...................................................................................47 Figura 1.17. Esquema del paso A de la interfaz ASM1 ADM1 ....................................48 Figura 1.18. Esquema del paso B de la interfaz ASM1 ADM1 ....................................49 Figura 1.19. Esquema del paso C de la interfaz ASM1 ADM1 ....................................49 Figura 1.20. Esquema del paso D del transformador ASM1 ADM1............................50 Figura 1.21. Transformacin de la DQO en ADM1 ASM1..........................................51 Figura 1.22. Transformacin del N en ASM1 ADM1...................................................51 Figura 1.23. Esquema de las matrices de Petersen en las interfaces CBIM...................52 Figura 2.1. Librera de Transformaciones LT ................................................................63 Figura 2.2. Trmino de inhibicin de la acidognesis y acetognesis ............................79 Figura 2.3. Trmino de inhibicin por pH de la actividad de las Nitrosomonas............80 Figura 2.4. Actividad biolgica de las bacterias Xbh en condiciones aerobias.............117 Figura 2.5. Actividad biolgica de las bacterias Xbh en condiciones anxicas ............118 Figura 2.6. Actividad biolgica de las bacterias Xpao en condiciones aerobias ...........118 Figura 2.7. Actividad biolgica de las bacterias Xsu.....................................................118 Figura 2.8. Actividad biolgica de las bacterias Xaa ....................................................119 Figura 2.9. Actividad biolgica de las bacterias Xfa .....................................................119 Figura 2.10. Actividad biolgica de las bacterias Xc4 ..................................................119 Figura 2.11. Esquema del procedimiento de construccin de PTM .............................120 Figura 2.12. Interfaz entre dos Modelos de Proceso Unitario mediante el PCV .........121 Figura 3.1. Esquema de la EDAR BSM2 ......................................................................127 Figura 3.2. Transformaciones seleccionadas en la construccin del PTM ..................130 Figura 3.3. Esquema del Reactor Biolgico cerrado....................................................132 Figura 3.4. Esquema del Reactor Biolgico abierto.....................................................136xi

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ndice de Figuras

Figura 3.5. Esquema del modelo Otterpohl-Freud .......................................................138 Figura 3.6. Esquema del espesador y separador slido-lquido...................................140 Figura 3.7. Conversin de PCV a ST .............................................................................142 Figura 3.8. Conversin de PCV a XT ............................................................................142 Figura 3.9. Esquema de la EDAR BSM2 en la plataforma de simulacin WEST.........145 Figura 3.10. Sustrato soluble y particulado obtenido con los modelos ASM1 y BSM2PWM..........................................................................................................147 Figura 3.11. N-NHx y N-NOx obtenido con los modelos ASM1 y BSM2 PWM .............148 Figura 3.12. Esquema del modelo integral de EDAR BSM2 con interfaces .................151 Figura 3.13. N soluble efluente y QCH4 en el digestor anaerobio..................................152 Figura 3.14. Concentracin de Ssu a la salida del interfaz ASM1 ADM1 ..................155 Figura 3.15. SIC a la salida del interfaz ASM1 ADM1 ...............................................155 Figura 3.16. Sh+ a la salida del interfaz ASM1 ADM1...............................................155 Figura 4.1. Esquema del algoritmo de optimizacin ....................................................173 Figura 4.2. Fraccionamiento de la DQO total en el modelo ASM1..............................184 Figura 4.3. Fraccionamiento de la DQO total en base a LT ........................................184 Figura 5.1. Vista panormica de la EDAR de Galindo (Bilbao) ..................................191 Figura 5.2. Esquema de una de las lneas del tratamiento biolgico ...........................193 Figura 5.3. Esquema de la lnea de fangos de la EDAR de Galindo ............................194 Figura 5.4. Esquema de la estructura jerrquica de control que incluye un sistema supervisor............................................................................................................196 Figura 5.5. Interfaz del SCADA supervisor ..................................................................196 Figura 5.6. Transformaciones seleccionadas en el modelo LA_Galindo PWM............200 Figura 5.7. Purga de slidos adicional en el decantador secundario ..........................203 Figura 5.8. Ajuste de SS en la zona DN con los modelos ASM1 y LAguas Galindo PWM ............................................................................................................................204 Figura 5.9. Ajuste de la concentracin de N-NOX en la zona DN.................................205 Figura 5.10. Ajuste de N-NH4 en el efluente con los modelos ASM1 y Galindo PWM 205 Figura 5.11. Lazo supervisor de N-NH4 medio efluente ...............................................210 Figura 5.12. Lazo supervisor del potencial de desnitrificacin....................................211 Figura 5.13. Lazo de control de la masa de slidos en el sistema ................................212 Figura 5.14. Modelo esttico del proceso.....................................................................214 Figura 5.15. Modelo esttico del proceso.....................................................................214 Figura 5.16. Respuesta de la concentracin de N-NO3 ante una entrada ....................215 Figura 5.17. Respuesta de la concentracin de N-NH4 ante una entrada....................216 Figura 5.18. Respuesta del NH4 efluente ante cambios escaln en el valor de OD......216 Figura 5.19. Respuesta del NH4 efluente y Masa de slidos ante cambios escaln en el valor de OD y Qpurga respectivamente..............................................................217 Figura 5.20. Influente horario utilizado en el estudio por simulacin..........................219 Figura 5.21. Simulacin de la concentracin de SST en la zon DN y produccin de fangos cuando la EDAR es operada con y sin estrategias de control avanzado 221 Figura 5.22. Concentracin de NH4 efluente y consumo de aire en el primer reactor aerobio cuando la EDAR es operada con y sin estrategias de control avanzado ............................................................................................................................222 Figura 5.23. Concentracin de NH4 efluente y valor de referencia de OD durante la validacin experimental......................................................................................223

ndice de Figuras

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Figura 5.24. Masa de slidos en la EDAR y setpoint del Caudal de purga durante la validacin experimental......................................................................................224 Figura 5.25. N-NO3 en le reactor D y valor de referencia de caudal de recirculacin interna durante la validacin experimental ........................................................225 Figura 5.26. OD disuelto y Caudal de aire durante el perodo de validacin experimental........................................................................................................225 Figura 5.27. Configuracin de la EDAR de Galindo con digestin anaerobia ............228 Figura 5.28. Esquema de las transformaciones seleccionadas en el modelo LAguas+LFangos1 Galindo PWM .....................................................................232 Figura 5.29. Resultados obtenidos por simulacin del incremento en la concentracin de N-NH4 con la incorporacin del digestor de fangos ......................................234 Figura 5.30. N-NH4 medio (24 h) en el efluente obtenido por simulacin cuando se incorpora la lnea de fangos con digestor anaerobio .........................................234 Figura 5.31. Consumo de aire en el primer reactor aireado (N1) obtenido por simulacin cuando se incorpora la lnea de fangos digestor anaerobio ............235 Figura 5.32. N-NO3 en el efluente obtenido por simulacin cuando se incorpora la lnea de fangos con digestor anaerobio .......................................................................235 Figura 5.33. Caudal de recirculacin interna obtenido por simulacin cuando se incorpora el retorno de la lnea de fangos con digestor anaerobio....................236 Figura 5.34. Prediccin por simulacin de la generacin de fangos en la EDAR con y sin digestor de fangos .........................................................................................237 Figura 5.35. Prediccin por simulacin del caudal de metano obtenido en el digestor anaerobio ............................................................................................................237 Figura 5.36. Configuracin de la EDAR de Galindo ampliada con la lnea de fangos y procesos Sharon-Anammox.................................................................................240 Figura 5.37. Esquema de las transformaciones seleccionadas en el modelo LAguas+LFangos2 Galindo PWM .....................................................................242 Figura 5.38. Resultados obtenidos por simulacin de la concentracin de N-NH4 y NNO2 en el digestor anaerobio y en los reactores Sharon y Anammox ................245 Figura 5.39. Resultados obtenidos por simulacin del OD y consumo de kLa en el reactor Sharon ....................................................................................................246 Figura 5.40. Incremento en la concentracin de N-NH4 obtenido por simulacin con la incorporacin del digestor de fangos y tratamientos de sobrenadantes.............246 Figura 5.41. N-NH4 y N-NO3 obtenidos por simulacin en el efluente cuando se consideran los procesos Sharon-Anammox ........................................................247

NDICE DE TABLASTabla 2.1. Componentes disueltos ..................................................................................66 Tabla 2.2. Componentes particulados y gaseosos...........................................................67 Tabla 2.3. Compuestos de referencia..............................................................................69 Tabla 2.4. Factores de conversin de componentes disueltos.........................................72 Tabla 2.5. Factores de conversin de componentes particulados y gaseosos .................73 Tabla 2.6. Coeficientes estequiomtricos de los componentes fuente-sumidero............74 Tabla 2.7. Crecimiento de Xh en condiciones aerobias ...................................................84 Tabla 2.8. Eliminacin de Fsforo en condiciones aerobias...........................................86 Tabla 2.9. Nitrificacin en dos etapas ............................................................................88 Tabla 2.10. Crecimiento anxico de Xh con Sno3- ............................................................90 Tabla 2.11. Crecimiento anxico de Xh con Sno2- ............................................................91 Tabla 2.12. Actividad de las bacterias Xpao en condiciones anxicas .............................92 Tabla 2.13. Crecimiento de las bacterias Anammox ......................................................92 Tabla 2.14. Acidognesis o fermentacin cida .............................................................94 Tabla 2.15. Acetognesis................................................................................................95 Tabla 2.16. Metanognesis .............................................................................................95 Tabla 2.17. Desaparicin de las poblaciones de bacterias ..............................................97 Tabla 2.18. Desaparicin de los productos almacenados en Xpao ...................................98 Tabla 2.19. Desintegracin de los componentes complejos ...........................................99 Tabla 2.20. Hidrlisis de componentes particulados ....................................................100 Tabla 2.21. Equilibrios cido-base ...............................................................................101 Tabla 2.22. Transferencias lquido-gas.........................................................................103 Tabla 2.23. Precipitacin y redisolucin del fsforo ....................................................104 Tabla 2.24. Parmetros estequiomtricos correspondientes a fraccionamientos ..........105 Tabla 2.25. Parmetros estequiomtricos correspondientes a rendimientos de crecimiento de las bacterias ................................................................................106 Tabla 2.26. Velocidades mximas especficas de consumo de sustrato .......................107 Tabla 2.27. Velocidades de desaparicin de biomasa...................................................108 Tabla 2.28. Constantes de saturacin en el consumo de sustrato .................................109 Tabla 2.29. Constantes de activacin e inhibicin........................................................110 Tabla 2.30. Constantes de desintegracin e hidrlisis ..................................................110 Tabla 2.31. Constantes cinticas de equilibrios qumicos ............................................109 Tabla 2.32. Constantes de equilibrio qumicos.............................................................111 Tabla 2.33. Constantes de velocidad de transferencia lquido-gas ...............................111 Tabla 2.34. Constantes de Henry..................................................................................112 Tabla 2.35. Coeficientes de difusividad .......................................................................112 Tabla 2.36. Relacin entre Procesos Biolgicos y poblaciones activas de microorganismos.................................................................................................115 Tabla 2.37. Relacin entre la actividad de las poblaciones de bacterias y las transformaciones consideradas en la LT .............................................................116xv

xvi

ndice de Tablas

Tabla 3.1. Caractersticas fsicas de la EDAR BSM2...................................................127 Tabla 3.2. Composicin atmosfrica seca y Humedad relativa ....................................137 Tabla 4.1. Relacin entre medidas analticas un componentes del modelo ..................162 Tabla 4.2. Parmetros de estimacin correspondientes a concentraciones ...................166 Tabla 4.3.Parmetros de estimacin correspondientes a fracciones msicas................166 Tabla 4.4. Parmetros de estimacin correspondientes ................................................167 Tabla 4.5. Restricciones correspondientes a equilibrios qumicos ...............................168 Tabla 4.6. Restricciones correspondientes a las fracciones msicas y coeficientes de desintegracin .....................................................................................................168 Tabla 4.7. Restricciones correspondientes las composiciones msicas de Xc1 y Xc2 .....168 Tabla 4.8. Medidas analticas realizadas en los aos 92/93..........................................175 Tabla 4.9. Estimacin inicial correspondiente a concentraciones y fracciones msicas ............................................................................................................................177 Tabla 4.10. Estimacin inicial correspondiente a fraccionamientos de Xc1 y Xc2 .........178 Tabla 4.11. Errores relativos de las medidas analticas realizadas en la caracterizacin del agua influente a la EDAR de Galindo ...........................................................178 Tabla 4.12. Parmetros de estimacin obtenidos..........................................................180 Tabla 4.13. Comparacin entre medidas reales y estimadas.........................................181 Tabla 4.14. Caracterizacin del vector de componentes del modelo ASM1 ................183 Tabla 4.15. Caracterizacin del vector de componentes del modelo ASM2 ................185 Tabla 5.1. Caudales y contaminacin de entrada a la EDAR de Galindo.....................192 Tabla 5.2. Calidad del efluente requerida en la EDAR de Galindo ..............................192 Tabla 5.3. Elementos incluidos en la decantacin primaria..........................................193 Tabla 5.4. Dimensiones fsicas de la EDAR de Galindo ..............................................194 Tabla 5.5. Caractersticas de los elementos de la lnea de fangos.................................195 Tabla 5.6. Coeficientes del modelo ASM1 obtenidos en la primera calibracin..........202 Tabla 5.7. Valor de las variables de operacin en la estrategia de operacin convencional ......................................................................................220 Tabla 5.8. Valor de las variables de operacin en la estrategia de operacin avanzada.............................................................................................220 Tabla 5.9. Valor de las variables de operacin en la estrategia de operacin avanzada en la validacin experimental .............................................223 Tabla 5.9. Resultados obtenidos en los cuatro estudios por simulacin .......................238

RESUMENTras una revisin del potencial y las limitaciones de los principales modelos matemticos existentes para describir de manera conjunta los procesos unitarios de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), la presente tesis desarrolla una nueva metodologa de modelado. Esta metodologa permite la construccin sistemtica y rigurosa de modelos integrales de planta capaces de reproducir las mutuas interrelaciones entre los diferentes elementos de las lneas de aguas y fangos, garantizando en todo momento la continuidad de masa elemental y carga. La nueva metodologa desarrollada, denominada metodologa PWM (Plant Wide Modelling) est basada en la utilizacin de una lista genrica de transformaciones de las que se eligen las ms adecuadas para los procesos que tienen lugar en cada EDAR objeto de estudio. La definicin de los componentes en sus fracciones msicas elementales permite garantizar la continuidad de masa y carga en cada transformacin y a lo largo de toda la planta. La definicin de los componentes en base a sus fracciones msicas ha sido utilizada para el desarrollo de un algoritmo para la caracterizacin automtica del influente. Este algoritmo ha sido empleado con xito en la caracterizacin del agua residual influente de la EDAR de Galindo (Bilbao). La metodologa PWM propuesta ha sido utilizada para la construccin de un modelo integral para un caso de estudio estndar (BSM2). El modelo obtenido ha sido verificado en diferentes escenarios de simulacin. Posteriormente se ha llevado a cabo un anlisis comparativo entre la utilizacin del modelo de EDAR obtenido frente a otras propuestas de modelado integral existentes en la bibliografa. Se ha construido en modelo integral para la EDAR Galindo-Bilbao de acuerdo con la metodologa PWM. El modelo obtenido ha sido utilizado en la validacin de una estrategia de control automtico en la lnea de aguas de la EDAR. Posteriormente se ha llevado a cabo una exploracin de la operacin de la EDAR en escenarios hipotticos que consideran de forma conjunta lneas de aguas y fangos.xvii

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Resumen

La exposicin finaliza con el captulo dedicado a las conclusiones del estudio realizado, la bibliografa utilizada y una serie de anexos que proporcionan informacin adicional a la incluida en la memoria.

CAPTULO 0 INTRODUCCIN

0.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEl modelado matemtico y la simulacin numrica de los diferentes procesos unitarios que forman parte de las EDAR (Estacin Depuradora de Aguas Residuales) han demostrado en los ltimos aos ser herramientas de gran potencial en el diseo, operacin y control de las EDAR. Son cada da ms numerosas las empresas de ingeniera que disean sus tecnologas de tratamiento de aguas o fangos utilizando la ayuda de aplicaciones informticas de simulacin capaces de explorar el comportamiento dinmico del proceso ante diferentes condiciones de operacin. En este sentido, es importante destacar las tareas del CEIT en este campo durante los ltimos aos en los que se han desarrollando diferentes versiones de simuladores dinmicos para el proceso de fangos activados. Estos simuladores estn siendo aplicados en la actualidad por Universidades y empresas de ingeniera, tanto como herramienta de diseo de nuevas plantas (Rivas and Ayesa, 1997; Rivas et al., 2001; Suescun et al., 1994) como para optimizar su operacin (Ayesa et al., 1998; Ayesa et al., 2001; Galarza et al., 2001a). Sin embargo, la utilizacin de modelos matemticos como herramienta de apoyo en la optimizacin de la operacin de las EDAR reales presenta algunas dificultades tanto en el desarrollo de estos modelos como en su posterior1

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Captulo 0: Introduccin

utilizacin. Por un lado, el modelado matemtico de cada uno de los procesos unitarios (ejemplo: reactores de fangos activados, decantadores, espesadores, digestores, filtros, etc.) ha estado generalmente orientado a describir especficamente los principales mecanismos de cada uno de los elementos por separado. Este planteamiento, aunque ha dado lugar a un gran nmero de modelos matemticos y aplicaciones informticas, presenta limitaciones para analizar dinmicamente la planta en su globalidad. Debe tenerse en cuenta, que una EDAR real, a diferencia de los procesos individuales, es un sistema en el que muchos de los elementos unitarios estn interrelacionados entre s y las actuaciones sobre uno de ellos tienen repercusin sobre los restantes. En este sentido, por ejemplo, es especialmente relevante para la explotacin de las EDAR el efecto de los retornos lquidos de la lnea de fangos sobre el funcionamiento y eficiencia de los tratamientos biolgicos de la lnea de aguas. Por otro lado, la utilizacin eficiente de los simuladores de operacin de EDAR requiere de un modelo matemtico adecuadamente calibrado y que prediga de forma realista el comportamiento dinmico de la EDAR estudiada. Dentro de la calibracin, uno de los aspectos ms decisivos y que entraa mayor dificultad es la caracterizacin del influente. Por lo tanto, una evaluacin del comportamiento global de la EDAR para establecer criterios de diseo y operacin ptimos, requiere de modelos que consideren el comportamiento dinmico de todos los de procesos unitarios integrados en esta EDAR. Sin embargo, la obtencin de modelos integrales que garanticen la continuidad de la masa y carga no es una tarea sencilla, principalmente por dos motivos: En primer lugar, debido a la diferente descripcin de los procesos bioqumicos en los modelos de proceso unitario existentes en la actualidad. Debe tenerse en cuenta que en la construccin de un modelo vlido siempre debe conjugarse que el modelo sea lo suficiente descriptivo para reproducir los procesos de forma realista y que el modelo describa estos procesos de la forma ms sencilla posible. En la actualidad, este doble requisito ha desembocado en la existencia de una amplia variedad de modelos matemticos con diferentes grados de complejidad y transformaciones muy diferentes en funcin de las caractersticas de los procesos a reproducir y de los objetivos de modelado. En segundo lugar, debido a que tradicionalmente los componentes de los modelos no se han expresado mediante su contenidos en masa elemental sino mediante la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) y sus contenidos en N, P, C, etc., dependiendo de los requisitos del modelo. El hecho de que los

0.2 Objetivos de la Tesis

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componentes se expresen mediante una medida analtica y no en base a su masa y composicin elemental, aunque simplifica en muchos casos la descripcin de las transformaciones, implica un grado de incertidumbre sobre la cantidad de masa elemental y carga que dificulta el anlisis de la continuidad de masa en las transformaciones internas del modelo y en la conexin entre modelos de diferentes procesos unitarios. Como soluciones para la obtencin de modelos integrales de EDAR, hasta el momento se han propuesto dos alternativas diferentes. La primera de ellas, est basada en un Modelo nico que incluye todos los componentes y transformaciones necesarios para reproducir el comportamiento de todos los elementos de proceso unitario incluidos en la EDAR. La segunda alternativa propone la construccin de Interfaces especficos entre los modelos estndar ms conocidos y empleados. En base a esta problemtica y combinando diferentes aspectos de las dos propuestas existentes, en esta tesis se propone una nueva metodologa de modelado integral de EDAR. Los principios en los que se basa esta metodologa permiten, adems de la construccin de modelos integrales de EDAR, una garanta de continuidad y seguimiento exhaustivo de la masa elemental y carga a lo largo de modelo facilitando adems el problema de la caracterizacin del influente. Los principales objetivos de esta tesis se detallan a continuacin.

0.2 OBJETIVOS DE LA TESISEl principal objetivo de esta tesis consiste en el desarrollo de una nueva metodologa de modelado integral de EDAR, incluyendo las lneas de agua y fangos, que permita obtener modelos matemticos capaces de reproducir el comportamiento dinmico del sistema en su conjunto y garantizando en todo momento la continuidad de masa elemental y carga. Este objetivo global puede desglosarse en los siguientes objetivos parciales:

Desarrollar un procedimiento sistemtico para la construccin de modelos integrales de EDAR. Desarrollar un algoritmo de caracterizacin automtica del influente

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Captulo 0: Introduccin

Verificar la metodologa desarrollada utilizando dos casos de estudio: Evaluacin el comportamiento dinmico del modelos en el escenario de simulacin estndar BSM2 (Benchmark Simulation N2). Optimizacin de la operacin de la EDAR de Galindo, Bilbao mediante estrategias de control automtico y exploracin de posibles alternativas de tratamientos de fangos.

0.3 CONTENIDO DE LA MEMORIAEl contenido de la Tesis est distribuido en 6 captulos. A continuacin se describe el contenido de cada uno de ellos. En el Captulo 1 se describen los fundamentos de los procesos bioqumicos que tienen lugar en una EDAR que incluye tratamientos de aguas residuales y fangos y las tecnologas ms utilizadas en la actualidad. A continuacin se describen los modelos matemticos ms comunes empleados para describir estas tecnologas. Finalmente, se sintetizan las soluciones propuestas hasta el momento para construir modelos integrales de EDAR. En el Captulo 2 se presenta la metodologa de modelado integral de EDAR propuesta en esta tesis. En primer lugar, se describe la lista de transformaciones utilizada como base para la construccin de cualquier modelo integral. Posteriormente, se detalla el procedimiento sistemtico a seguir para la construccin de modelos integrales de EDAR. En el Captulo 3 se construye un modelo integral para la EDAR BSM2 (Benchmark Simulation Model n2) de acuerdo con la metodologa de modelado integral propuesta en esta tesis. Posteriormente, el modelo obtenido se valida en diferentes escenarios de simulacin y finalmente se realiza un anlisis comparativo entre esta metodologa y otras propuestas de modelado integral de EDAR. En el Captulo 4 se describe una metodologa de caracterizacin automtica del agua residual o fango influente. En primer lugar se exponen los fundamentos de esta metodologa. En segundo lugar se propone un algoritmo de optimizacin a partir del cual se va a llevar a cabo la caracterizacin del influente. Finalmente,

0.3 Contenido de la Memoria

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se lleva a cabo como ejemplo, la caracterizacin del agua residual influente a la EDAR de Galindo-Bilbao. En el Captulo 5 se construye un modelo integral para la EDAR de Galindo, Bilbao. Se verifica el comportamiento del modelo obtenido en la lnea de aguas de la EDAR. En base al modelo obtenido, en primer lugar se estudia la operacin ptima en la lnea de aguas de la EDAR de Galindo mediante la implantacin de una estrategia de control avanzado. Este estudio, se lleva a cabo inicialmente por simulacin y posteriormente, la estrategia de operacin ptima se valida experimentalmente en la EDAR real. En segundo lugar, se lleva a cabo una exploracin de la operacin de la EDAR de Galindo cuando se consideran de forma conjunta las lneas de aguas residuales y fangos. Para esta exploracin, el modelo de EDAR construido previamente se amplia de acuerdo con los nuevos procesos considerados. En esta exploracin se analizan los efectos que tendran los procesos de digestin anaerobia y Sharon-Anammox en el comportamiento global de la EDAR. Finalmente, en el Captulo 6 se enumeran las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos en esta tesis y se proponen futuras lneas de investigacin. ANEXOS A. Clculo de parmetros qumicos y fsico-qumicos B. Estequiometra, cinticas y parmetros empleados en el modelo BSM2 PWM C. Construccin de las interfaces CBIM ASM1-ADM1 D. Modelos de decantacin empleados en el modelo BSM2 PWM E. Estequiometra, cinticas y parmetros empleados en los modelos Galindo PWM F. Artculos cientficos generados

CAPTULO 1 REVISIN BIBLIOGRFICA

1.1 INTRODUCCINDesde que en los inicios del siglo XX se pusieron en marcha las primeras EDAR urbanas ha habido una larga evolucin tanto en su diseo como en su operacin. As, a lo largo de los aos, las configuraciones que han ido adoptando las EDAR y las tecnologas que han ido incluyendo han permitido una eliminacin ms eficiente de la contaminacin (materia orgnica, nutrientes, tratamiento de los fangos producidos, etc.), acorde con las restricciones impuestas por los organismos gubernamentales. De forma paralela al desarrollo de nuevas tecnologas y configuraciones en las EDAR, los esfuerzos por parte de la comunidad cientfica para obtener modelos matemticos que describan el comportamiento estacionario y dinmico de las EDAR han sido continuos. Tambin en el campo del modelado matemtico de EDAR ha existido un continuo avance debido a los progresos obtenidos en el conocimiento de la microbiologa, a las nuevas tecnologas de EDAR propuestas y a las mejoras computacionales alcanzadas a lo largo de los aos. As, en la actualidad existen un gran nmero de plataformas de simulacin en el mercado que permiten estudiar de forma estacionaria o dinmica distintas posibilidades en el diseo, operacin y control de las EDAR.

7

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Captulo 1: Revisin bibliogrfica

En este captulo, y de acuerdo con el objetivo de esta tesis, se describen los siguientes puntos principales. En primer lugar, se exponen brevemente los principales procesos bioqumicos, qumicos y fsico-qumicos que tienen lugar en una EDAR urbana tanto en el tratamiento de aguas residuales como en el de fangos. En segundo lugar se presentan las tecnologas ms comnmente empleadas en las EDAR urbanas tanto para el tratamiento de aguas residuales como el de fangos. En tercer lugar se describen los modelos matemticos dinmicos ms conocidos y empleados para describir estas tecnologas. Finalmente, se expone la problemtica actual en el modelado matemtico de EDAR que incluyen diferentes tecnologas, y las soluciones propuestas hasta el momento.

1.2 PROCESOS BIOQUMICOS, QUMICOS Y FSICO-QUMICOS QUE TIENEN LUGAR EN UNA EDAR URBANA

1.2.1 Procesos bioqumicosLos procesos bioqumicos que tienen lugar en la depuracin de las aguas residuales urbanas y en el tratamiento de los fangos obtenidos, estn basados en una serie de reacciones llevadas a cabo por distintas poblaciones de bacterias. Estas reacciones, que pueden darse en rangos de temperaturas entre 0 y 40C (mesfilo) o entre 40 y 60 C (termfilo), estn catalizadas por una serie de enzimas suministrados por las bacterias, que permiten que su velocidad sea aceptable a temperaturas muy por debajo de las requeridas en ausencia de estos catalizadores. De forma general, las reacciones bioqumicas pueden dividirse en intra o extracelulares dependiendo de si stas se dan en el interior o fuera de las paredes celulares de las bacterias.

1.2 Procesos bioqumicos, qumicos y fsico-qumicos que tienen lugar en una EDAR urbana

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Las reacciones extracelulares, conocidas como reacciones de hidrlisis, consisten en una ruptura de enlaces qumicos en medio acuoso. Mediante estas reacciones, la complejidad de los componentes orgnicos en un agua residual o fango queda reducida hasta un punto en el cual stos pueden ser asimilados por las bacterias a travs de la membrana celular. Las reacciones intracelulares consisten en una serie de reacciones de tipo oxidacin-reduccin (metabolismo) a partir de las cuales se obtiene una cantidad de energa (catabolismo) y materia celular (anabolismo). Estas reacciones por tanto, implican una transferencia de electrones desde un donor de electrones, que suele entenderse como el alimento disponible, a un aceptor de electrones. Aunque comnmente este donor de electrones consiste en materia orgnica, con algunos tipos de bacterias la materia inorgnica reducida (amonio, sulfuros, hidrgeno molecular, etc.) puede utilizarse como donor de electrones y por tanto como fuente de energa. Las poblaciones de bacterias capaces de oxidar materia orgnica para la obtencin de energa reciben el nombre de bacterias hetertrofas mientras que aquellas capaces de oxidar la materia inorgnica se denominan auttrofas. Dentro de esta clasificacin general, existen poblaciones ms especficas cuyo metabolismo est asociado a determinados compuestos orgnicos o inorgnicos y en condiciones ambientales determinadas. As, en el metabolismo de las poblaciones de bacterias activas en condiciones aerobias, el oxgeno acta como aceptor de electrones reducindose mientras que los donores de electrones orgnicos o inorgnicos quedan oxidados. En ausencia de oxgeno o en condiciones anaerobias, otros compuestos como nitratos, sulfatos, dixido de carbono, etc., pueden actuar como aceptores de electrones. A continuacin se presentan los procesos bioqumicos ms relevantes que tienen lugar en una EDAR urbana, describiendo las reacciones redox que incluyen estos procesos y las caractersticas ms importantes de las poblaciones de bacterias que los llevan a cabo. 1.2.1.1 Biodegradacin de materia orgnica La materia orgnica presente en un agua residual est constituida principalmente por carbohidratos, protenas o lpidos, o en su forma hidrolizada, azcares, aminocidos y cidos grasos de cadena larga (LCFA).

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Mientras que los azcares, aminocidos y LCFA son utilizados directamente por las bacterias hetertrofas como fuente de energa, la biodegradacin de carbohidratos, protenas y lpidos requiere de una hidrlisis previa mediante la cual se da una solubilizacin enzimtica de la materia orgnica particulada. ste es un proceso lento y se considera muchas veces como el paso limitante en la degradacin de materia orgnica. En la biodegradacin de la materia orgnica, las reacciones bioqumicas que tienen lugar dependen del compuesto que acte como aceptor de electrones y como consecuencia, de las estrategias metablicas seguidas por las bacterias (Gijzen, 2001). Si la biodegradacin se da en condiciones aerobias, donde el oxgeno acta como aceptor de electrones, la materia orgnica queda totalmente oxidada o mineralizada obteniendo como productos finales dixido de carbono y agua. En condiciones anaerobias sin embargo, tambin pueden darse transformaciones de fermentacin en las que el mismo compuesto en parte se oxida y en parte se reduce sin necesidad de aceptores de electrones. En la Figura 1.1 se representa de forma esquemtica los productos obtenidos en la degradacin de la materia orgnica en funcin del aceptor de electrones.

CO2

H2O O2

(CaHbOc)nAerobio Anaerobio NO3 N2 CO2 CO2 CO2 SO42-

H2S CO2

CH 4

Figura 1.1. Esquema del proceso de biodegradacin de materia orgnica en condiciones aerobias y anaerobias propuesto en Gijzen. (2001)


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Biodegradacin o mineralizacin de materia orgnica en condiciones aerobias

En condiciones aerobias, los azcares, aminocidos y cidos grasos de cadena larga son oxidados completamente a dixido de carbono y agua. Concretamente en el caso de los aminocidos, stos sufren previamente a su oxidacin a dixido de carbono y agua, una desaminacin o amonificacin, a partir de la cual su contenido en nitrgeno en forma de grupo amina queda liberado al medio en forma de amoniaco/amonio (Sawyer et al., 1994). A modo de ejemplo, las siguientes reacciones muestran la oxidacin de materia orgnica representada por la frmula molecular de la glucosa y la consecuente reduccin del oxgeno.H 2O + 1 C6 H 12O6 CO2 + 4 H + + 4 e 6

(1.1) (1.2)

O2 + 4 H + + 4 e 2 H 2O

Las poblaciones de bacterias que llevan a cabo estas reacciones de oxidacin reciben comnmente el nombre general de hetertrofas aerobias. El rango de temperaturas en el que estas bacterias permanecen activas abarca desde los 10 hasta los 60 C, incluyndose dentro del grupo de las mesoflicas si permanecen activas entre 10 y 40C, o dentro de las termoflicas si lo hacen entre 40 y 60C. Las poblaciones de bacterias hetertrofas aerobias presentan cierta sensibilidad al pH, aunque sta es mucho menos acentuada que en el caso de las bacterias auttrofas o hetertrofas anaerobias. En el tratamiento de aguas residuales, en el que normalmente el pH suele estar comprendido entre los valores 7-8, no se observa ninguna variacin en la actividad de las bacterias. Sin embargo, en tratamientos de fangos en condiciones aerobias, en los que las variaciones de pH pueden ser mucho ms acentuadas, se observa una disminucin considerable de la actividad de las bacterias cuando se alcanzan valores de pH alrededor de 5 (Mavinic and Koers, 1982).

Biodegradacin de materia orgnica en condiciones anaerobias

Tal y como se ha mencionado anteriormente, las condiciones anaerobias estn caracterizadas por la ausencia de oxgeno molecular, y por tanto, otros compuestos actuan como aceptores de electrones. Especficamente cuando los aceptores de electrones son nitritos (NO2-) o nitratos (NO3-), la biodegradacin de materia orgnica se lleva a cabo por una poblacin de bacterias llamadas

12


facultativas capaces de oxidar la materia orgnica en presencia de oxgeno, o en presencia de nitritos y nitratos (condiciones anxicas), indistintamente. En condiciones anxicas, la biodegradacin de materia orgnica se lleva a cabo mediante una oxidacin completa o mineralizacin de sta y los nitratos quedan reducidos a nitrgeno molecular (N2) siguiendo la siguiente ruta.NO3 NO2 NO N 2O N 2

(1.3)

Finalmente, la degradacin anaerobia de materia orgnica es un proceso algo ms complejo en el que la materia orgnica sufre transformaciones tanto de fermentacin como de oxidacin, y en el que estn involucradas distintas poblaciones de bacterias que actan de forma ms selectiva. Generalmente, el proceso de degradacin anaerobia incluye una acidificacin de los productos solubles como azcares, aminocidos y cidos grasos de cadena larga y una posterior conversin de los productos obtenidos a metano (metanognesis). La acidificacin, a su vez, se divide en los procesos llamados acidognesis o fermentacin y acetognesis. La acidognesis consiste en una serie de reacciones de fermentacin que se dan sin ningn aceptor o donador de electrones externo (Gujer and Zehnder, 1983). En estas reacciones, los azcares y aminocidos se degradan a compuestos ms simples tales como cido actico, propinico y butrico. En el caso de los aminocidos, y al igual que en condiciones aerobias, la desaminacin o amonificacin en la cual el N se libera al medio en forma de amonio/amoniaco se da previamente a la fermentacin. En la acetognesis se da la oxidacin de los cidos grasos de cadena larga y de los cidos grasos voltiles con ms de dos carbonos obtenidos en esta oxidacin y en la acidognesis. Las poblaciones de bacterias que llevan a cabo esta oxidacin son las acetognicas y los productos obtenidos son cido actico e hidrgeno molecular (H2) gas. A continuacin se muestran las oxidaciones de los cidos butrico y propinico:C4 H 8O2 + 2 H 2O 2C2 H 4O2 + 2 H 2 C3 H 6 O2 + 2 H 2O 2C2 H 4O2 + H 2 G o = +48,1 kJ / mol G o = +76 ,1 kJ / mol

(1.4) (1.5)

Tal y como se observa en las ecuaciones (1.4) y (1.5), la acetognesis no es siempre termodinmicamente favorable, y como requerimiento, exige mantener


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la concentracin de H2 en valores bajos. Esto se consigue mediante la relacin sintrfica que existe entre las bacterias acetognicas y las metanognicas hidrogenfilas, las cuales consumen este H2. Finalmente, la metanognesis es la etapa en la que se obtiene como producto final el metano. Este proceso es llevado a cabo por dos poblaciones de bacterias conocidas como acetoclastas (Methanotrix y Methanosarcina) e hidrogenfilas. Las primeras producen aproximadamente un 75% del metano total obtenido por medio de la descarboxilacin del acetato (1.6). Las segundas combinan H2 y CO2 para formar el 25% restante (1.7). Estas segundas permiten mantener concentraciones de H2 bajas en el reactor de forma que las transformaciones llevadas a cabo por las acetognicas sean termodinmicamente favorables.C2 H 4 O2 + H 2O CO2 + CH 4

(1.6) (1.7)

4 H 2 + H + + HCO3 CH 4 + 3 H 2O

De forma general, la energa libre liberada en las transformaciones de oxidacin-reduccin en condiciones anaerobias es mucho menor que la liberada en condiciones aerobias, lo que se traduce en un menor rendimiento en la obtencin de materia celular en estas codiciones. El efecto del pH en la degradacin de materia orgnica en condiciones anaerobias es algo ms significativo que en condiciones aerobias. As, para el caso de las bacterias acidognicas se ha observado que, aunque a valores de pH entre 6 y 7, no se observa ninguna variacin en la actividad de stas, la velocidad de crecimiento disminuye notoriamente a valores de pH 8 (25%) y 5 (55%) (Horiuchi et al., 2002). Sin embargo, la poblacin de bacterias metanognicas son las que presentan una mayor sensibilidad ante variaciones de pH. As, estas bacterias nicamente permanecen activas en un rango de pH entre 6.4 y 7.8 (Grady et al., 1999). 1.2.1.2 Oxidacin del nitrgeno El nitrgeno presente en un agua residual se encuentra mayoritariamente en forma de nitrgeno amoniacal (NH4+) y nitrgeno contenido en protenas y aminocidos, que tal y como se ha mencionado anteriormente, sufre una amonificacin previa a la oxidacin de los aminocidos.

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El nitrgeno amoniacal presente en un agua residual puede actuar como donor de electrones en presencia de poblaciones de bacterias auttrofas. Estas bacterias, mediante la oxidacin del nitrgeno amoniacal en condiciones aerobias o anaerobias, y a partir del carbono inorgnico del medio obtienen energa suficiente para su metabolismo.

Oxidacin del nitrgeno en condiciones aerobias

La oxidacin en condiciones aerobias del NH4+ es conocida como proceso de nitrificacin. El proceso de nitrificacin se da en dos etapas consecutivas llevadas a cabo por las bacterias Nitrosomonas, que oxidan el NH4+ a NO2-, y Nitrobacter, que oxidan el NO2- a NO3-. Las dos reacciones de oxidacin se muestran a continuacin:NH 4 + +

3 O2 NO2 + 2 H + + H 2 O 2 1 O2 NO3 2

(1.8)

NO2 +

(1.9)

En condiciones de temperatura ambiente (10-20C), a la que suele darse el proceso de eliminacin de N en un agua residual, la velocidad de crecimiento de las Nitrobacter es casi el doble que la de las Nitrosomonas (Wett and Rauch, 2003) y por tanto, la concentracin de NO2- en EDAR urbanas toma valores prximos a cero. Por el contrario, a temperaturas altas (30-40C), es la poblacin de Nitrosomonas la que presenta una mayor velocidad de crecimiento y puesto que la segunda etapa es la limitante, se favorece la nitrificacin parcial del NH4+ a NO2- (Hellinga et al., 1999). Estas diferencias en las velocidades de las dos reacciones de oxidacin dependiendo del intervalo de temperaturas, permite, tal y como se detallar en el siguiente Apartado, que el proceso de nitrificacin pueda utilizarse para la eliminacin del nitrgeno amoniacal en aguas de muy diferentes caractersticas como pueden ser las aguas residuales urbanas o las aguas sobrenadantes procedentes del digestor anaerobio. Las poblaciones de bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter presentan un comportamiento mucho ms sensible ante variaciones de pH que las bacterias hetertrofas aerobias o facultativas (Henze et al., 1997). As, las bacterias Nitrosomonas presentan un comportamiento ptimo a un valor de pH de 8,1 y las Nitrobacter a valores de 7,9. En valores de pH por debajo de 6,5 y por


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encima de 9 la nitrificacin est completamente inhibida (Grunditz and Dalhammar, 2001).

Oxidacin del nitrgeno en condiciones anaerobias

Finalmente, en condiciones anaerobias, la oxidacin del NH4+ a nitrgeno molecular (N2) puede darse, mediante un proceso llamado Anammox, empleando los nitritos como aceptor de electrones (Hao et al., 2002). La transformacin de oxidacin-reduccin se muestra a continuacin:NH 4 + NO2 N 2 + H 2 O+

(1.10)

Las poblaciones de bacterias que llevan a cabo este proceso fueron identificadas por primera vez en (Mulder et al., 1995) y recibieron el nombre de Brocadia Anammoxidans. En la actualidad se han detectado otras poblaciones capaces de llevar a cabo esta oxidacin (Scalindua brodae, Scalindua wagneri, etc.) Las poblaciones de bacterias conocidas comnmente como bacterias Anammox requieren condiciones estrictamente anaerobias y se caracterizan por obtener rendimientos en la obtencin de materia celular muy inferiores a otras poblaciones de bacterias. 1.2.1.3 Captacin y liberacin biolgica del fsforo inorgnico Gran parte del fsforo presente en un agua residual se encuentra en forma de ortofosfatos, polifosfatos o formando parte de compuestos orgnicos. Dentro de las poblaciones de bacterias hetertrofas, existe una poblacin especfica de bacterias comnmente conocidas como bacterias PAO (Phosphate Accumulating Organisms) que tienen la capacidad de, de forma alterna, liberar fsforo al medio en forma de ortofosfatos y almacenarlo en forma de polifosfatos en el interior de las paredes celulares. En las bacterias PAO, la liberacin de fsforo desde el interior de las paredes celulares en forma de ortofosfatos, lleva asociada una liberacin de energa que las bacterias emplean para captar cidos grasos voltiles (VFA) del medio y almacenarlo en el interior de sus paredes celulares en forma de poli-hidroxialcanoatos (PHA). Este proceso de liberacin del fsforo, aunque puede darse en cualquier condicin ambiental, se observa mayoritariamente en condiciones anaerobias.

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Por otro lado, en condiciones aerobias o anxicas, las bacterias PAO llevan a cabo la oxidacin del PHA almacenado en su interior. La energa obtenida en esta oxidacin es empleada por estas bacterias para capturar el fsforo del medio en forma de ortofosfatos en cantidades superiores a las necesarias para la sntesis celular, reponiendo as las reservas de polifosfatos. La actividad de las bacterias PAO se da en condiciones de temperatura mesfilas y presenta cierta sensibilidad ante variaciones de pH, tanto en la liberacin de fosfatos, como en su crecimiento en condiciones aerobias y anxicas. As, aunque la velocidad a la que se da la liberacin de fosfatos a partir de la captacin de VFA no se ve alterada ante variaciones de pH, la relacin fsforo liberado/VFA captado vara desde 0,24 hasta 0,73 gP/ gDQO entre pH de 5,5 hasta 8,5 (Smolders et al., 1995a). Por otro lado, se ha observado que valores de pH superiores o inferiores a un valor ptimo de 7,4, provocan una disminucin en el crecimiento y captacin de ortofosfatos de las bacterias acumuladoras de fsforo (Filipe et al., 2001b).

1.2.2 Equilibrios qumicosEn aguas residuales o fangos, existen ciertos compuestos capaces de conferirles una capacidad de amortiguamiento que les previene de variaciones bruscas de pH durante el transcurso de los procesos bioqumicos. Estos compuestos son cidos o bases dbiles, que mediante una serie de equilibrios qumicos establecidos con sus respectivas parejas cido/base, permiten mantener el agua residual en valores cercanos a pH neutro, siempre y cuando la aparicin o desaparicin de cidos H+ en el medio no sea demasiado acentuada. El principal responsable de la capacidad de amortiguamiento en un agua residual es el equilibrio que se estable entre los distintos compuestos que constituyen el carbono inorgnico:H 2CO3 HCO3 + H + HCO3 CO3 = + H +

(1.11) (1.12)


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Otros compuestos cido/base dbiles que establecen equilibrios en el agua residual o fango son los correspondientes al nitrgeno y fsforo inorgnico:NH 4 + NH 3 + H + H 3 PO4 H 2 PO4 + H + H 2 PO4 HPO4 = + H + HPO4 = PO4 3 + H +

(1.13) (1.14) (1.15) (1.16)

Finalmente los cidos valrico (1.22), butrico (1.18), propinico (1.19) y actico (1.20) conocidos comnmente como VFA, aunque en menor medida, tambin establecen equilibrios cido-base en aguas residuales y fangos.C 5 H 10 O2 C 5 H 9 O2 + H +

(1.17) (1.18) (1.19) (1.20)

C 4 H 8 O 2 C 4 H 7 O2 + H + C 3 H 6 O 2 C 3 H 5 O2 + H + C 2 H 4 O2 C 2 H 3 O 2 + H +

1.2.3 Transferencias lquido-gasAlgunos de los compuestos empleados como reactivos, u obtenidos como productos en las reacciones bioqumicas y qumicas detalladas anteriormente, se encuentran en fase gaseosa a la temperatura y presin a la que se dan estas reacciones. Por este motivo, entre estos compuestos en su fase disuelta y gaseosa se da una transferencia gobernada por la solubilidad de cada compuesto gaseoso en la fase lquida. En concreto los compuestos gaseosos que intervienen, en su fase disuelta, en las reacciones qumicas y bioqumicas son: O2, N2, CO2, H2, CH4 y NH3.

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1.3 TECNOLOGAS URBANAS

EMPLEADAS

EN

EDAR

En una EDAR urbana, tanto el agua residual como los fangos producidos son sometidos a una serie de tratamientos de modo que, a partir de los procesos bioqumicos detallados anteriormente y otros procesos fsicos que se detallan a continuacin, el agua residual reduce su carga contaminante y el fango queda estabilizado. Los tratamientos ms frecuentes que se incluyen en una EDAR son el tratamiento primario y secundario, el tratamiento de los fangos producidos y ocasionalmente el tratamiento terciario. ste ltimo consiste en la aplicacin de tratamientos fsicos (filtracin), qumicos (procesos de absorcin, oxidacin, abrasin y ozonizacin) y/o biolgicos, a fin de obtener una mejor calidad del agua tratada.

1.3.1 Tecnologas empleadas en el tratamiento primarioEl objetivo principal del tratamiento primario es la separacin por medios fsicos de los slidos en suspensin no retenidos en el pretratamiento. Tambin dentro del tratamiento primario se incluyen todos aquellos tratamientos fsicoqumicos permiten que las partculas coloidales formen flculos de gran tamao mejorando en gran medida su decantabilidad. Las tecnologas empleadas en el tratamiento primario se describen brevemente a continuacin:

Decantacin

Un decantador consiste en un depsito rectangular o circular, en cuyo fondo se depositan los fangos cuando la velocidad ascensional del agua es inferior a la velocidad de cada de las partculas. Los decantadores primarios presentan de forma general geometras rectangulares o circulares y pueden incluir sistemas de extraccin de fangos estticos o dinmicos. En un decantador primario la concentracin de slidos suspendidos se reduce en un 50-70 %.

1.3 Tecnologas empleadas en EDAR urbanas

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Coagulacin-floculacin

Mediante la coagulacin-floculacin se consigue una desestabilizacin de las partculas coloidales que permite su aglomeracin en flculos y posterior decantacin. En la coagulacin, mediante la adicin de coagulantes, se consigue una desestabilizacin de las partculas coloidales por medio de la neutralizacin de sus cargas elctricas. Posteriormente, en la floculacin se da la aglomeracin de las partculas descargadas de forma que stas puedan ser eliminadas por medio de decantacin, flotacin etc.

Flotacin

La flotacin permite la eliminacin de slidos en suspensin con una densidad prxima a la del agua, as como de aceites y grasas. Las tecnologas de flotacin pueden ser naturales o provocadas. En esta ltima se da una fijacin artificial de burbujas de aire o de gas sobre las partculas a eliminar. Esta fijacin puede conseguirse mediante distintas tcnicas: aireacin a presin atmosfrica, flotacin por aire disuelto o flotacin por vaco.

1.3.2 Tecnologas empleadas en el tratamiento secundarioEn una EDAR, el tratamiento secundario tiene como objetivo la eliminacin de materia orgnica y nutrientes (nitrgeno y fsforo), de acuerdo con las restricciones impuestas en el medio receptor. Aunque dentro del tratamiento secundario pueden darse tratamientos fsico-qumicos, el tratamiento ms comn en EDAR de aguas residuales urbanas es el biolgico. El tratamiento biolgico consiste en potenciar una serie de reacciones de oxidacin-reduccin (Apartado 1.2.1) por las cuales una poblacin de heterognea de bacterias presentes en el agua residual, utilizan los contaminantes como fuente de energa y nutrientes para su mantenimiento y biosntesis. Aunque el tratamiento biolgico puede llevarse a cabo mediante distintas tecnologas (fangos activados, biopelcula, biodiscos, etc.), la ms empleada en las EDAR, es la tecnologa de fangos activados. Esta tecnologa est constituida por uno o varios reactores biolgicos, en los que la materia orgnica y nutrientes presentes en el agua residual en contacto con un

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fango activado formado por una mezcla de bacterias y materia orgnica, sufren algunas de las transformaciones de hidrlisis y oxidacin-reduccin detalladas en el Apartado 1.2.1. La tecnologa de fangos activados fue propuesta a principios del siglo XX como tratamiento para la eliminacin de materia orgnica en las aguas residuales, en cuanto se descubri la capacidad que posean las poblaciones de bacteria hetertrofas de degradar la materia orgnica (Arden and Lockett, 1914). Desde ese momento y hasta la actualidad, se han propuesto diversas configuraciones que basadas en esta tecnologa, y de acuerdo con los requerimientos cada vez ms estrictos en la depuracin de las aguas residuales, permiten mayores rendimientos en la eliminacin de materia orgnica y la eliminacin adicional de nutrientes (nitrgeno y fsforo) hasta concentraciones aceptables en el cauce receptor. A continuacin se presentan algunas de las configuraciones ms comunes en la eliminacin de materia orgnica, en la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno y en la eliminacin de materia orgnica, nitrgeno y fsforo. 1.3.2.1 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica La tecnologa de fangos activados convencional para la eliminacin de materia orgnica, representada en la Figura 1.2, consiste en mantener en un reactor aireado una cantidad de fango en suspensin. En este reactor se encuentran poblaciones de bacterias hetertrofas que a partir del oxgeno suministrado, metabolizan la materia orgnica presente en el agua residual. Posteriormente, en un tanque de sedimentacin o decantador, las poblaciones de bacterias son transportadas al fondo del decantador por gravedad y recirculadas al reactor. El agua depurada y libre de materia en suspensin, sale del decantador por la parte superior y es vertida al cauce receptor. Una variante de la configuracin convencional representada en la Figura 1.2, es la tecnologa con reaireacin de fango llamada tecnologa de contactoestabilizacin, y que fue propuesta por primera vez por Ullrich and Smith, (1951). En esta tecnologa se incorpora una zona de reaireacin del fango procedente del decantador secundario. Con esta zona de reaireacin, se favorece la respiracin endgena del fango activado de forma que ste queda estabilizado y se regenera su capacidad de almacenar materia orgnica en cuanto entre en contacto con el agua residual influente. El sistema de contacto-estabilizacin


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permite reducir el flujo de slidos en el decantador (Thompson et al., 1989) y obtener un fango activado con buenas propiedades de sedimentabilidad.

Figura 1.2. Esquema de la tecnologa de fangos activados convencional

Figura 1.3. Esquema de la tecnologa de fangos activados contacto-estabilizacin

1.3.2.2 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno Las tecnologas de fangos activados ms comnmente utilizadas en la eliminacin de materia orgnica y nitrgeno estn constituidas por, al menos, dos reactores separados en los que manteniendo condiciones aerobias y anxicas se dan los procesos de nitrificacin y desnitrificacin. La primera tecnologa de pre-desnitrificacin fue propuesta por Ludzack and Ettinger, (1962) y estaba constituida por un primer reactor anxico conectado parcialmente a un segundo aerobio. En el reactor aerobio se daba prioritariamente una nitrificacin y los nitratos obtenidos eran empleados en el reactor anxico, donde se daba mayoriatariamente la oxidacin de materia orgnica en condiciones anxicas. Los dos reactores se encontraban parcialmente conectados de forma que los nitratos producidos en el reactor aerobio podan ser utilizados como aceptores de electrones en la zona anxica. Posteriormente, debido a la imprecisin en el aporte de nitratos en la zona anxica, y por tanto, la baja eficiencia en la desnitrificacin, Barnard, (1973) propuso una nueva tecnologa en la que el agua a tratar entraba en la zona anxica totalmente separada de la zona aerobia, y el aporte de nitratos necesario en la desnitrificacin se llevaba a cabo mediante una recirculacin procedente de la zona aerobia. Esta configuracin se conoce en la actualidad como A/O o DN se muestra en la Figura 1.4.

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Figura 1.4. Esquema de la tecnologa de fangos activados DN

Adems de la tecnologa de pre-desnitrificacin mostrada en la Figura 1.4, tambin se existen tecnologas de post-desnitrificacin, en las que la zona anxica se situa detrs del reactor aerobio. En la actualidad, en base a las diferentes tecnologas de pre-desnitrificacin y post-desnitrificacin, se han desarrollado otras tecnologas, que aunque presentan mayor complejidad, permiten una eliminacin ms eficiente del nitrgeno. Por ejemplo, la tecnologa Bardenpho que combina tecnologas de pre y post-desnitrificacin, o tecnologas de alimentacin escalonada compuestas por varias tecnologas DN en serie (Ayesa et al., 1998).

Figura 1.5. Esquema de la tecnologa Bardenpho

Figura 1.6. Esquema de la tecnologa de alimentacin escalonada


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Finalmente, debe indicarse que el concepto de contacto-estabilizacin propuesto en tecnologas de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica puede ser empleado tambin en tecnologas de eliminacin de materia orgnica y nitrgeno. As, la tecnologa conocida como RDN (Figura 1.7) est constituida por un reactor D donde tiene lugar la desnitrificacin, un reactor N donde se da la nitrificacin, un decantador secundario donde se da una separacin del agua tratada y el fango activado, y un reactor de estabilizacin o regeneracin R.

Figura 1.7. Esquema del sistema de fangos activados RDN

La tecnologa RDN frente a la DN convencional, presenta algunas ventajas como mejor sedimentabilidad del fango (de la Sota, 1995), permite disminuir el caudal de recirculacin interna de la zona aerobia a la anxica debido al aporte de nitratos procedente del reactor de regeneracin, se obtienen SRT ms altos que mejoran la nitrificacin, etc. 1.3.2.3 Tecnologa de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica, nitrgeno y fsforo La

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