MODELIZADO Y SIMULACION DE PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS

Luis Larrea

CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian

¿Qué es un simulador?

Programa informático que describe comportamientos estacionarios y dinámicos de un conjunto de procesos unitarios que componen una parte o el total de una planta depuradora.

Ejemplos de procesos unitarios

•Proceso de fangos activos con sus

múltiples variantes

•Decantación primaria y secundaria

•Tratamiento físico-químico

•Fermentación ácida

•Adición de sustrato

•Espesamiento y flotación

•Digestión aeróbia

•Digestión anaeróbia

Modo de predicción

Integración numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales que describen las

características del efluente de cada uno de los procesos unitarios en función de las

características del influente y de las condiciones de diseño y operación.

Cada ecuación diferencial es el balance másico en el proceso unitario para cada

uno de los parámetros que se desea describir.

Incluye términos de transporte del parámetro y ecuación de transformación del

mismo basada en modelo matemático de comportamiento.

EJEMPLOS

Depósito de homogenización

V

C1

Q

CO

Q

C1

1

1 CQCQdt

CdV

O−=

� Balance reactor

� Balance sedimentador

SWROwRROOEVSQQQSQSQSQ

dt

SdV ..)(.

111

1

1+−+−−+=

XWROwRROEVXQQQSQXQOQ

dt

XdV ..)(.

111

1

1+−+−−+=

RRWOWROSQSQQSQQQ

dt

SdV .)()(

21

2

2−−−−+=

RRWROXQXQQQ .)(

1=−+

V1

S1,X1

V2

QO

SO

QR , SR , XR

QO -QW , S2

QW

S1, X1

Proceso de Fangos activos

Proceso/Componente S X O Cinética

Utilización de sustrato -1 YH -(1-YH )

Respiración endógena -1 -(1-f) bHX

Ecuaciones de transformación

S XO2 O2

XbXSK

SKYE

H

S

Hx⋅−⋅

+⋅= 1

XbfXSK

SKYOUR

XSK

SKE

H

s

H

s

s

⋅−+⋅+

−=

⋅+

⋅−=

)1()1(

1

XSK

SK

s

⋅+

Pasos para efectuar una simulación

� Dibujar diagrama de procesos unitarios considerados y flujos de interconexión

� Selección de modelos con los coeficientes respectivos

� Introducción de parámetros de entrada y condiciones de diseño y operación

Modos de simulación

� Estacionaria. A partir de valores medios

� Dinámica. Variabilidad horaria y/o diaria

Modos de presentación

� Tablas de resultados finales

� Gráficas de evolución temporal de los parámetros

Otras posibilidades

� Introducción de algoritmos de control

� Aplicación de técnicas de optimización matemática

� Análisis de sensibilidad

� Estructura del modelo. Combinar simplicidad y capacidad predictiva

� Hidraúlica en los procesos unitarios

� Delimitación de valores de los coeficientes de los modelos

Calibración

Factores que limitan la validez de las predicciones

� Se recomienda disponer de modelo suficientemente calibrado.

� Empleo de simulación estacionaria.

� Proceso iterativo de simulaciones para determinar los parámetros de diseño y operación óptimos de cada uno de los procesos unitarios que permiten alcanzar los requerimientos prefijados.

� Resulta en una información completa de flujos de contaminantes (DBO, N, P...) y de SST.

� Requiere conocimientos sólidos del funcionamiento de los procesos.

Aplicación a Diseño de plantas

Requiere:� Delimitar el grado de información sobre características del influente y

efluente de los procesos unitarios y de sus condiciones de diseño y operación.

� Calibrar los modelos a partir del ajuste de simulaciones a resultados experimentales.

Objetivos:Mediante simulación estacionaria:� Previsión de estrategias operacionales a medio-largo plazo.

� Determinación de capacidades de tratamiento de los procesos unitarios.

� Remodelación de plantas.

Mediante simulación dinámica horaria-diaria:

� Diagnóstico del estado instantáneo de los procesos unitarios.

� Definición de estrategias operacionales a corto plazo.

Aplicación a plantas existentes

Caracterización de la materia orgánica influente

Tabla I.1 Ejemplo de fraccionamiento de la DQO influente de un agua residual urbana sedimentada

Valores medios (g/m3) Rangos típicos de fracciones

de DQO (%)

Fraccionamiento de DQO

(g/m3)

DQOT = 300 FSI0 = 5 - 10 SI0 = 30

SST = 100 FSS0 = 10 - 25 SS0 = 45

DQO part.estim.=160 FXI0 = 10 - 15 XI0 = 45

DQOF estimada = 140 FXBH0 = 5 - 15 XBH0 = 30

FXS0 = 30 - 60 XS0 = 150

soluble = 65

particulado = 85

Estequiometría y cinéticas

SS XBH XP

XS

1 3

2

Componentes

Reacciones

XBH XP XS SS S0 Cinéticas ρj

1

Crecimiento

Aerobio de XBH

1

2

Hidrólisis

Aerobia de XS

-1 1

3

Desaparición de

XBH

-1 fp 1-fp bHXBH

HY

1−

H

H

Y

Y1−−

BH

0OH

0

SS

S

HX

SK

S

SK

Sˆ

++µµµµ

BH

0OH

0

BHSX

BHS

HX

SK

S

X/XK

X/XK

++

Estequiometría y cinéticas

Reacción 1. Crecimiento aerobio de heterótrofos

Hµ̂µµµ

Hˆ

21 µµµµ

KS

SS

SHH

SK

S

+= µµ ˆ

SS

Hµµµµ

Hµ̂µµµ

: Tasa de crecimiento de heterótrofos

: Tasa específica máxima de crecimiento de heterótrofos

KS: Constante de saturación media

Reacción 2. Hidrólisis de Sustrato lentamente biodegradable

BHSX

BHS

HX/XK

X/XK

+

BHSX/X

XK

HK

½ KH

KH : Tasa específica máxima de hidrólisis aerobia

KX : Constante de saturación media

ECUACIONES DE TRANSFORMACIÓN

Balance en XbH Reactor discontinuo

Balance en SS

Balance en XS

Balance en XP

Balance en S0

31

3

BH)díam/g(RX ρρρρρρρρ −=⋅

dt

XdBH=

1

H

2

3

SS

Y

1)díam/g(R ρρρρρρρρ −=⋅

23P

3

XS)f1()díam/g(R ρρρρρρρρ −−=⋅

3P

3

XPf)díam/g(R ρρρρ=⋅

1

H

H3

0

Y

Y1)díam/g(OURR ρρρρ

−−=⋅=

dt

SdS=

dt

XdS=

dt

XdP=

El balance másico se resume en:

Ai = Ii + Ei + Ri

Ai = tasa de acumulación del componente “i” en el reactor

Ii = caudal másico del componente “i” influente al reactor

Ei = caudal másico del componente “i” efluente del reactor

Ri = tasa de transformación del componente “i” en el reactor

Aplicación a proceso continuo de fangos activos con mezcla completa

Ecuaciones para el proceso de fangos activos con mezcla completa

V2(2)

Qw

V(1)

(Q0-QW)

Q0

(Q0+QR)

QR(3)

BALANCES EN TANQUE DE AERACIÓN

1S11SR01SW3SR0S01S

1 RSVS)QQ(SQSQSQdt

dSV ++−−+=

1S11SR01SW3SR0S01S

1 RXVX)QQ(XQXQXQdt

dXV ++−−+=

1BH11BHR01BHW3BHR0BH01BH

1 RXVX)QQ(XQXQXQdt

dXV ++−−+=

0S)QQ(SQSQSQdt

dSV 1IR01IW3IR0I0

1I1 ++−−+=

1p11pR01pW3pR0p0

1p

1 RXVX)QQ(XQXQXQdt

dXV ++−−+=

0X)QQ(XQXQXQdt

dXV 1IR01IW3IR0I0

1I1 ++−−+=

)SS(KVS)QQ(SQSQSQdt

dSV 01SAT0LA101R001W03R000

011 −++−−+=

XV1(DQO)=XBH1+XS1+Xp1+XI1

XV1(SSV)=XVI/fCV fCV=1.48 g DQO/g SSV

XT1(SST)=XV1/fi fi=g SSV/gSST

BALANCES EN SEDIMENTADOR SECUNDARIO

Material soluble

0SQS)QQ(S)QQ(dt

dSV

3SR2SW01SR0

2S

2+−−−+=

0SQS)QQ(S)QQ(dt

dSV

3IR2IW01IR0

2I

2+−−−+=

Materia particulada (hipótesis de régimen estacionario)

(Q0 + QR) XT1 = QR XT3

Se mantienen fracciones Xj1 / XT1

NITRIFICACIÓN Y DESNITRIFICACIÓN

Caracterización del nitrógeno Kieldahl total (TKN)

Valores medios

(gN/m3)

Fracciones de

Nitrógeno orgánico

N/DQO (%)

Fraccionamiento

Norg

N-NO3 ≈ 1 iSS = 2 - 4 SND = 1.4

TKN = 34

(DQO/TKN=8,8)

iSI= 1 - 2 SNI = 0.6

N-NH4 = 25 iXS: 2 - 4 XND = 4.5

Norg = 9 iXi =1 - 3 XNI = 0.5

iXB : 6 - 8 XNB = 2

Tabla II.2 Matriz de estequiometría

Componente

Proceso

SS XS XBH XBA XP S0 SNO SNH SND XND SALK Cinéticas

de reacción

1 Crecimiento

aerobio de

heterótrofosHY

1− 1

H

H

Y

Y1−− -iXB 14

iXB− R1

3 Crecimiento

aerobio de

autótrofos

1

A

A

Y

Y57.4 −−

AY

1-iXB-

AY

1 14

iXB−

AY7

1−

R3

4 Desaparición de

heterótrofos

1-fp -1 fp iXB-fpixp R4

5 Desaparición de

autótrofos

1-fp -1 fp iXB-fpixp R5

6 Amonificación

de SND

1 -1

14

1R6

7 Hidrólisis de XS 1 -1 R7

8 Hidrólisis de

XND

1 -1 R8

Tabla III.1 Matriz de estequiometría

Componente

Proceso

SS XS XBH XBA XP S0 SNO SNH SND XND SALK Cinéticas

de

reacción

1 Crecimiento

aerobio de

heterótrofosHY

1− 1

H

H

Y

Y1−− -iXB 14

i XB−

R1

2 Crecimiento

anóxico de

heterótrofosHY

1− 1

H

H

Y86.2

Y1−− -iXB

H

H

Y86.214

Y1

⋅

−

14

i XB−

R2

3 Crecimiento

aerobio de

autótrofos

1

A

A

Y

Y57.4 −−

AY

1-iXB-

AY

1 14

i XB−

AY7

1−

R3

4 Desaparición de

heterótrofos

1-fp -1 fp iXB-fpixp R4

5 Desaparición de

autótrofos

1-fp -1 fp iXB-fpixp R5

6 Amonificación

de SND 1 -1 14

1R6

7 Hidrólisis de XS 1 -1

R7

8 Hidrólisis de

XND 1 -1 R8

Crecimiento

aerobio de

autótrofos

RS

K S

S

K SXA

NH

NH NH

O

O A O

B A3 =+

+

$

,

,µ

Desaparición

de autótrofos

R b XA BA5 =

Hidrólisis de

nitrógeno

particulado

R8 = R7·(XND/XS)

Amonificació

n de N

orgánico

soluble

R6 = KA·SND·XBH

Tabla II.3 Cinéticas relacionadas con la nitrificación

Tabla III.2 Cinéticas relacionadas con la desnitrificación

Crecimiento anóxicode heterótrofos

H,Bg

NONO

NO

OH,O

H,O

SS

S

HX

SK

S

SK

K

SK

Sˆ2R η

+

+

+µ=

Hidrólisis de XS H,B

NONO

NO

OH,O

H,O

h

OH,O

O

H,B

SX

H,B

S

hX

SK

S

SK

K

SK

S

XX

K

XX

k7R

++η+

+

+

=

RANGO DE VALORES TÍPICOS DE LOS COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS Y CINÉTICOS EN EL MODELO Nº 1

COEFICIENTES ESTEQUIOMETRICOSYH

YA

fp

LXB

iXP

0.5 – 0.7 g DQO biom. (g DQO util.)-1

0.2 – 0.3 g DQO biom. (g N util.)-1

0.080.06 – 0.08 gN (g DQO)-1

0.05 – 0.07 gN (g DQO)-1

COEFICIENTES CINETICOS (20ºC)µµµµH 3 – 6 d-1

KS 2 – 10 g DQO m-3

KH 2 – 3 g DQO (gDQO biom..d)-1

KX 0.02-0.03 g DQO (gDQO biom.)-1

bH 0.5 – 0.7 d-1

µµµµA 0.4 – 0.8 d-1

KNH 0.5 – 1 g NH4-N m-3

bA 0.1 – 0.15 d-1

KA 0.03-0.08 m3 (g DQO biom.d)-1

ηηηηH 0.3 – 0.8ηηηηG 0.6 - 1

COEFICIENTES DE FUNCIONES DE CAMBIOKOH

KOA

KNO

0.1– 0.3 g O2 m-3

0.2– 0.6 g O2 m-3

0.1- 0.5 g NO3 – N m-3

EFECTO DE TEMPERATURAKi,T = Ki,20 θθθθ (T-20)

(Constantes de Arrhenius)θθθθ

µµµµH 1.05-1.2KS 1.0KH 1.05-1.1KX 0.9-1.05bH 1.03-1.1µµµµA 1.07-1.13

KNH 1.07-1.13bA 1.03-1.10KA 1.03-1.07

1. Hidrólisis aerobia de XS

2. Hidrólisis anóxica de XS

3. Hidrólisis anaerobia de XS

4. Crecimiento aerobio de XH sobre SF

5. Crecimiento aerobio de XH sobre SA

6. Desnitrificación anóxica sobre SF

7. ´Desnitrificación anóxica sobre SA

8. Fermentación anaerobia de SF

9. Lisis de XH

10. Almacenamiento de XPHA

11. Acumulación aerobia de XPP

12. Crecimiento aerobio de XPAO

13. Lisis de XPAO

14. Lisis de XPP

15. Lisis de XPHA

16. Crecimiento aerobio de nitrificantes

17. Lisis de nitrificantes

Modelo conceptual de ASM2 para eliminación de N y P

NOMBRE AplicaciónAcadémica

AplicaciónIndustrial

Aquasim X EAWAG

AS40 X X Aquasystem

ASIM X EAWAG

Biosim X X Envirosim

BioWin X X

Daisy (EDAR) X X CEIT/Cadagua

Dario X CEIT/Cadagua

EFOR X X EFOR Aps

GPS-X X X Hydromantis

Simba X X Otterpohl W GbR

Simworks X X Hydromantis

STOAT X WRC

SSSP X Prof. Grady

UCT X X Prof. Ekama

WEST X X Hemmis

Plataformas de simulación