Sedimentacion (PowerPoint)
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA Y
MEDIO AMBIENTEU.P.V.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
U.V.
MODELACIMODELACIÓÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓÓN EN N EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALESESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES
Universidad del Norte Encuentros Ambientales
Dr. JOSEP RIBES BERTOMEU
Barranquilla, 2005
2
Índice
Introducción
Procesos de sedimentación
Modelación de los procesos de sedimentación
Modelo implementado en DESASS
Aplicaciones del modelo
3
Introducción
Importancia de la decantación en las EDARs
Eliminación de la mayor parte de los contaminantes particulados del agua residual
Garantizan el cumplimiento de los criterios de vertido.
Afectan al diseño de la línea de fangos
Influyen en los procesos biológicos de eliminación de nutrientes
Desnitrificación en decantadores secundarios
Liberación de fósforo y amonio en espesadores
4
Introducción
Necesidad de modelar la Sedimentación
¿Cómo se simulaban las plantas?
Aproximaciones:Cero• Tiempo de residencia de los fangos
Prefijada• Concentración del fango espesado
Prefijada (secundarios)
Estimada con TRH (primarios)
• Concentración del efluente
reactoragitado
concentrador
5
Introducción
Posibilidades de simulación de procesos
Condiciones de sedimentación de los sólidos.Velocidad de sedimentación.
Propiedades de floculación.
Capacidad de compactación del fango.
Actividad biológica en los fangosTiempo de residencia
Concentración de biomasa activa
Concentración de sustrato y nutrientesCondiciones ambientales (pH, temp., aceptor electrones,…)
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Índice
Introducción
Procesos de sedimentación
Modelación de los procesos de sedimentación
Modelo implementado en DESASS
Aplicaciones del modelo
7
Procesos de sedimentación
Bases teóricas de la sedimentación
Separación de las fases sólida líquida por gravedad.
Operación importante desde finales de siglo XIX, con la extracción de minerales.
Mecanismos de sedimentación:
Son función de: * Concentración de la suspensión* Tendencia de los sólidos a agruparse
Regímenes de sedimentación diferenciados:
Sedimentación discreta (Tipo I)
Sedimentación floculada (Tipo II)
Sedimentación Zonal (Tipo III)
Compresión (Tipo IV)
8
Procesos de sedimentación
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Procesos de sedimentación
Sedimentación discreta (Tipo I)
Fn: Fuerza gravitacional efectiva
Fa: Fuerza de rozamiento
( ) ppfgn VgFFF ⋅⋅−=−= ρρ2
21 vACF pDa ⋅⋅⋅⋅= ρ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⋅=
ρρρ p
p
p
D AV
Cgv 2
CD: Coeficiente de rozamiento
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Procesos de sedimentación
Sedimentación floculada (Tipo II)
Las partículas muestran una tendencia natural a aglomerarse aumentando de tamaño.Su velocidad de sedimentación discreta aumenta con el tiempo de floculación
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Procesos de sedimentación
Sedimentación floculada (Tipo II)
Factores que afectan a la floculación:
Características de la suspensión (fango activado, agua residual,…)
Distribución de tamaños de partícula
Capacidad de floculación (biofloculación en fangos activados)
Concentración de oxígeno (segregación de polímeros extracelulares)
Sistema de aireación utilizado (turbulencias en el reactor)
Características hidrodinámicas del tanque
Tiempo de retención hidráulico
Nivel de turbulencia o intensidad de agitación
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Procesos de sedimentación
Sedimentación zonal o impedida (Tipo III)Al aumentar la concentración aumentan las interacciones entre las partículas.La suspensión sedimenta en bloque, manteniendo las posiciones relativas entre las partículas.Su velocidad de sedimentación depende únicamente de la concentración.Comportamiento observado a partir de 1000 mg/l
13
Procesos de sedimentación
Sedimentación discontinua
Fases formadas en una probeta
14
Procesos de sedimentación
Velocidad de sedimentación zonal:
La velocidad de sedimentación es función de la concentración de sólidos existente inicialmente en la suspensión.
El modelo matemático más aceptado y utilizado es el modelo exponencial de Vesilind (1968)
VSZ = V0 · exp(-n·X)
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Procesos de sedimentación
Velocidad de sedimentación zonal:Obtención experimental de los parámetros del modelo:
16
Procesos de sedimentación
Compresión (Tipo IV)Se produce en el fondo de los decantadores y espesadores por acumulación de los sólidos.
El peso de los sólidos acumulados comprime el fango de las capas inferiores por contacto directo.
El agua es exprimida fuera del fango.
La compresión depende de:La presión intersticial.La compresibilidad del fango.La permeabilidad del fango.
17
Procesos de sedimentación
Correlación empírica para la compresión (Merkel, 1971)
18
Procesos de sedimentación
Medidas de la sedimentabilidad
Índice Volumétrico del Fango (IVF)
Índice Volumétrico del Fango Diluido (IVFD)
Índice Volumétrico Específico Agitado a 3.5 g/l (IVEA3.5)
19
Procesos de sedimentación
Medidas de la sedimentabilidadÍndice Volumétrico del Fango (IVF)
Volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango seco después de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro.
VF30: Volumen ocupado en 30 min. de sedimentación
Inconvenientes del IVFDepende de la conc. Inicial
Índice Volumétrico del Fango (IVFD)
Índex Volumètric Específic Agitat a 3.5 g/l (IVEA3.5)
XVFIVF 30=
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Procesos de sedimentación
Medidas de la sedimentabilidad
Índice Volumétrico del Fango Diluido (IVFD)El VF30 debe estar comprendido entre 150 y 250 ml/l.
En caso contrario, se diluye el fango hasta conseguirlo (VFD30)
Existen correlaciones para obtener el valor de IVF a partir del IVFD
dilXVFDIVFD 30=
6.030
300VFIVFDIVF ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛⋅=
Merkel (1971)
Válida para VF30 entre 250 y 800 ml/l
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Procesos de sedimentación
Medidas de la sedimentabilidadÍndice Volumétrico Específico Agitado a 3.5 g/l (IVEA3.5)
Volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango después de decantar 30 minutos en una probeta estándar de 100 mm de diámetro y 500 mm de altura, agitada suavemente (a 1 rpm) y partiendo de una concentración inicial estándar de 3.5 g/l.
Es el mejor parámetro de los tres, pero más difícil de obtener.
22
Procesos de sedimentación
Correlaciones empíricas:La obtención de los parámetros de sedimentación zonal (V0 y n) requiere mucho tiempo experimental.
Se han propuesto diversas correlaciones empíricas:
Referència Paràmetre utilitzat
Nombre de dades
Rang estudiat (ml/g)
Correlació per a V0
(m/h)Correlació per a rh
(m3/kg)
Härtel i Pöpel (1992) IVF - - - - - - 17.4·e-0.0113·IVF + 3.931 1.043 - 0.9834·e-0.00581·IVF
Daigger i Roper (1985) IVF 236 36 - 402 7.8 0.148 + 0.0021·IVF
Daigger (1995) IVF > 1500 36 - 402 6.5 0.165 + 0.001586·IVF
Pitman (1984) IVF 697 45 - 360 10.4 - 0.0148·IVF 0.29·e0.016·IVF
Wahlberg i Keinath (1988a) IVF 185 48 - 235 18.2·e-0.00602·IVF 0.351 + 0.00058·IVF
Mines et al. (2001) IVF - - - 27 - 236 7.27 0.0281 + 0.00229·IVF
Wahlberg i Keinath (1988a) IVFA 3.5 185 35 - 220 24.3·e-0.01073·IVFA 3.5 0.245 + 0.00296·IVFA 3.5
Wahlberg i Keinath (1988b) IVFA 3.5 185 35 - 220 15.3 - 0.0615·IVFA 3.5 0.426 -0.0038·IVFA 3.5
+5.43·10-5·(IVFA 3.5)3
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Índice
Introducción
Procesos de sedimentación
Modelación de los procesos de sedimentación
Modelo implementado en DESASS
Aplicaciones del modelo
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Modelos de sedimentación
Evolución históricaLos primeros modelos se basaban en muchas asunciones:
Condiciones de flujo ideal.Tanques ideales sin turbulencia.Partículas discretas sin cohesión entre ellas.No consideraban los procesos de compactación en el fondo del decantador.
La teoría del flujo de Kynch (1952) supuso un cambio importante en el diseño y simulación de sedimentadores.
La mayoría de los modelos actuales se basan en las consideraciones de esta teoría.
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Modelos de sedimentación
Teoría del flujo de Kynch (1952)
La velocidad de sedimentación de una partícula depende únicamente de la concentración local de partículas.
Todas las partículas tienen la misma forma, tamaño y densidad.
La concentración de partículas es constante en cada sección horizontal del decantador.
En procesos de sedimentación continua:Flujo total = Flujo de sedimentación + Flujo por arrastre
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Modelos de sedimentación
Teoría del Flujo de Sólidos: Modelos unidimensionales
Modelos de flujo:UnidimensionalBidimensionalTridimensional
Sistema físico unidimensional
Sólidos floculentos ycompresibles
dirección vertical
vertical y horizontal
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Modelos de sedimentación
Modelos de sedimentación más importantesSe basan el la teoría del flujo de sólidos de Kynch
El flujo másico se calcula como la suma del flujo de sedimentación y el flujo por arrastre.
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Modelos de sedimentación
Modelos de sedimentación más importantesLa principal diferencia se encuentra en la forma de aplicar los balances y el modelo utilizado para la velocidad de sedimentación
Modelos de sedimentación para fangos activados:
Modelo de Laikari (1989)
Modelo de Takács (1991)
Modelo de Otterpohl y Freund (1992)
Modelo de Dupont y Henze (1992)
Modelo de Hamilton (1992)
Modelo de Diehl y Jeppsson (1998)
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Índice
Introducción
Procesos de sedimentación
Modelación de los procesos de sedimentación
Modelo implementado en DESASS (BNRM1)
Aplicaciones del modelo
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MODEL
Modelo desarrollado
Modelo unidimensional Basado en la teoría delflujo de Kynch:
BST JJJ +=
( ) ( ) XXVXJ SS ⋅=
JS: Flujo de sedimentación
JB: Flujo por arrastre
XVJ B ⋅=
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
≤=
>=
=
fR
D
fE
U
zzsiA
QV
zzsiA
QV
VBalance de sólidos: ( ) ( ) 0=
∂⋅∂
+∂⋅∂
+∂∂
zXV
zXV
tX S( ) ( ) 0=+
∂⋅∂
+∂⋅∂
+∂∂
XS G
zXV
zXV
tX
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Modelo de sedimentación
Solución matemática del sistemaLa ecuación diferencial se resuelve mediante la división de la altura total de sedimentación en intervalos discretos (capas)
Cada capa horizontal Reactor de tanque agitado
Posibilidad de cálculo de los procesos biológicos en cada capa. Balances de materia con reacción
Las entradas y salidas de materia en cada capa vienen dadas por los flujos de sólidos y agua.
( ) ( )X
SSTSSSTSST GhXV
hXV
tX +
∂⋅∂+
∂⋅∂=
∂∂−
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Modelo de sedimentación
División en capas:
Zona de clarificación
Flujo por arrastre:ascendente
Flujo de sedimentación:descendente
[ ]nii,Xii,S1i1i,Sii,U1i1i,U1nni hGXVXVXVXV
tXh
∆⋅+⋅−⋅+⋅−⋅=∂∂⋅∆
++−−+→
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Modelo de sedimentación
División en capas:
Zona de sedimentación
Flujo por arrastre:descendente
Flujo de sedimentación:descendente
[ ]nii,Xii,S1i1i,Sii,D1i1i,D1nni hGXVXVXVXV
tXh
∆⋅+⋅−⋅+⋅−⋅=∂∂⋅∆
++−−+→
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Modelo de sedimentación
División en capas:
Capa de alimentación
Flujo de entrada
Flujo por arrastre:ascendente y descendiente
Flujo de sedimentación:descendente
( )n
ii,Xii,S1i1i,Sii,Di,UFf
F1nni hGXVXVXVVXAQ
tXh
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡∆⋅+⋅−⋅+⋅+−⋅=
∂∂⋅∆
+++→
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MODEL
Modelo de sedimentación
Condiciones de contorno y aproximaciones:El flujo de la entrada se distribuye inmediatamente en ascendente y descendente (flujo unidimensional)
La velocidad de sedimentación es cero en el fondo del decantador y en el efluente. Los caudales de salida determinan el flujo de sólidos
La concentración de sólidos en cada capa se mantiene homogénea en todo el volumen (tanque agitado)
La velocidad de sedimentación en cada capa depende únicamente de la conc. de sólidos, excepto en las capas inferiores, donde también depende del factor de compresión
Condición de flujo mínimo
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Modelo de sedimentación
Cálculo de los flujos de sedimentación (I)El flujo de sedimentación de las especies particuladas se obtiene a partir de la concentración total de sólidos suspendidos.
El modelo biológico distingue 13 especies particuladas:
También incluyen los sólidos no volátiles presentes en el agua de entrada (XNV)
XACET, XACID, XAUT, XH, XI, XMAC, XMeOH, XMeP, XMH2, XPAO, XPHA, XPP, XS
XSST (sólidos suspendidos totales)
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Modelo de sedimentación
Cálculo de los flujos de sedimentación (II)Componentes solubles:
La velocidad con que se mueven las especies solubles entre las capas corresponde a la velocidad del agua en el decantador.
Componentes particulados:La velocidad con que se mueven las especies particuladas entre las capas coincide con la calculada para XTSS.
Objetivo del modelo de sedimentación:Estimar la velocidad con que sedimentan los sólidos suspendidos en el sistema.
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Modelo de sedimentación
Modelo de la velocidad de sedimentación:
Necesario para estimar la velocidad con que sedimentan los sólidos suspendidos en el sistema
Limitaciones del modelo de Vesilind:
Sólo es aplicable en condiciones de sedimentación zonal
La velocidad de sedimentación sería máxima para bajas concentraciones.
No puede simular los procesos de floculación que se dan en decantadores primarios y secundarios.
No puede simular los procesos de compresión de los fangos que se dan en los espesadores y en el fondo de los decantadores.
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Modelo de sedimentación
Modelo de Takács et al. (1991):Para sedimentación floculada y zonal
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ −⋅= ⋅−⋅− ee V, V min , 0 maxV
*P
*h XrXr
0'0S con, X* = X - fns·XF
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Modelo de sedimentación
Función de sedimentación utilizada:
( ) ( ) ( ) ( )( )( )[ ]minmin0
'0 ,min,0max XXrXXr
Sph eeVVzXV −⋅−−⋅− −⋅⋅Ω=
( )tzfX ,= Concentración de sólidosTakács et al. (1991)Factor de Compresión
fns XfX ⋅=min Concentración de sólidos no sedimentables
nsph frrVV ,,,, 0'
0 Parámetros del modelo de sedimentación
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MODEL
Modelo de sedimentación
Efecto de la compresión del fango:Ecuación empírica utilizada:
( )( )[ ] n
t
nt
z,zBzBz −
−
⋅−⋅−
=Ωmin1
1
nch
IVFIVFB ⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +
+−= 1100
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+⋅
+=IVF
IVFn100
21 ( )fct zhz ,2min ⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅
−=c
ff
hcc X
zXrX
h 11IVF
X c480
=
( ) ( )XVzV SS ⋅Ω=
Otterpohl y Freund (1992)
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Modelo de sedimentación
Ventajas del modelo de sedimentación:Incluye los procesos de sedimentación floculada, sedimentación zonal y compresión.
Puede ser utilizado para decantadores primarios, decantadores secundarios y espesadores.
Permite la inclusión de los procesos biológicos en los decantadores, considerando cada capa como un reactor de tanque agitado.
Permite la simulación de los siguientes procesos:Fermentación-elutriación de ácidos volátiles en dec. primarios.Desnitrificación en decantadores secundarios.Suelta de fósforo y amonio en espesadores (lisis celular)
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Índice
Introducción
Procesos de sedimentación
Modelación de los procesos de sedimentación
Modelo implementado en DESASS
Aplicaciones del modelo
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Aplicaciones del modelo
Utilidad en el diseño y simulación de plantas.
Conocer las concentraciones de efluente y purga en decantadores y espesadores.Conocer la altura del manto de fangos.
Simular los procesos biológicos que se producen en los decantadores y espesadores:
Fermentación-elutriación de ácidos volátiles en dec. primarios.Desnitrificación en decantadores secundarios.Suelta de fósforo y amonio en espesadores (lisis celular)
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Avaluació del model
Diseño y simulación de una planta completa
46
Aplicaciones del modeloPerfiles típicos obtenidos en un decantador primario con un proceso de fermentación - elutriación
0.00
0.83
1.65
2.48
3.30
6 6.5 7 7.5 8pH
Altu
ra e
n el
dec
anta
dor (
m)
0 150 300 450 600Ácidos volátiles (mg COD l-1)pH AGV
47
Aplicaciones del modeloPerfiles típicos obtenidos en un decantador secundario con eliminación de nitrógeno
0.00
0.83
1.65
2.48
3.30
0 2000 4000 6000 8000Sólidos Suspendidos (mg l-1)
Altu
ra e
n el
dec
anta
dor (
m)
0 1 2 3 4Concentración de nitrato (mg N l-1)SS
Nitrato
Sedimentación zonal
Compresión
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Aplicaciones del modelo
Perfiles obtenidos en un espesador alimentado con fango procedente de un proceso de eliminación biológica de P.
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Aplicaciones del modelo
Simulación del funcionamiento de una plantaAumento del caudal de entrada 3·Q a las 6 horasEfluente de los decantadors primarios y secundarios:
0
100
200
300
400
0 1 2 3 4 5 6 7 8Temps (d)
Con
c. s
òlid
s ef
luen
t (m
g · l
-1)
Dec. primari Dec. secundari
50
Aplicaciones del modelo
Simulación decantador primario
51
Aplicaciones del modelo
Simulación decantador secundario
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Aplicaciones del modelo
Resultados de las simulacionesEl modelo representa correctamente los procesos biológicos y de sedimentación
Utilidad para el diseño de plantas completas
Diagnóstico y optimización de plantas existentes
Aplicación a casos realesDiseño (Dénia-Ondara, Penyíscola, Beneixida...)
Solución de problemas operacionales (Elx-Algorós, Elda, Sagunt, Bunyol-Alborache, Vila-Real,...)
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Aplicaciones del modelo
Implementación en DESASS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA Y
MEDIO AMBIENTEU.P.V.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
U.V.
MODELACIMODELACIÓÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓÓN EN N EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALESESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES
Universidad del Norte Encuentros Ambientales
Dr. JOSEP RIBES BERTOMEU
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Validación del modelo
Experimentos de laboratorio
Sedimentación discontinua en probeta
Parámetros de sedimentación zonal
Fracción de sólidos no sedimentables
Experimentación en planta piloto
Validación del modelo de sedimentación unido al modelo biológico
Parámetros de sedimentación
Parámetros cinéticos y estequiométricos
56
Validación del modelo
Experimentos de laboratorio
57
Validación del modelo
Experimentos de laboratorioExp X (g/m3) Vs (mm/min) Vs (m/dia) IVF (ml/g)
1 1592 102.0 146.9 56.5
2 2500 93.5 134.6 50.0
3 2263 85.0 122.4 57.4
4 2262 119.0 171.4 46.4
5 1175 136.0 195.8 **
6 2368 83.0 119.5 50.7
7 1169 91.1 131.2 **
8 5000 47.6 68.5 50.0
9 4000 53.8 77.5 47.5
10 7000 30.7 44.3 48.6
11 8900 14.2 20.4 51.7
** Datos no disponibles.
58
Validación del modelo
Experimentos de laboratorio
Obtención de los parámetros de sedimentación zonal
V0 = 235 m/dia rh = 2.6·10-4 m3/g
59
Validación del modelo
Experimentos en planta piloto
Efluente del decantador primario
60
Validación del modelo
Experimentos en planta piloto
Características de diseño del decantador
Diámetro (m) 0,50 Altura total (m) 0,90 Altura zona sedimentación (m) 0,45 Pendiente cono (%) 173 Volumen (l) 112 Carga superficial (m3·m-2·h-1) 0,2 Tiempo de retención hidráulico (h) 2,8 Carga sobre vertedero (m3·m-1·h-1) 0,025
61
Validación del modelo
Experimentos en planta piloto
Ensayos realizados:
Caudal de entrada: 40 l/h
Parámetros de operaciónTiempo de retención de sólidos (TRS)Caudal de recirculación (QR)
Exp. Tiempo de retención de sólidos (días)
Caudal de recirculación
(l/h)1 3.8 1.52 3.7 23 4 7 2
62
Validación del modelo
Experimentos en planta piloto
Determinación del estado del proceso:
Variables medidas diariamente:Caudales de entrada, recirculación y purga.Concentración de sólidos y de ácidos volátiles en la entrada, efluente y purga del decantador.Altura del manto de fangos en el decantador.
Analíticas en el estado estacionario:
DQO, sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), fósforo, amonio, alcalinidad y ácidos volátiles.
63
Validación del modelo
Experimentos en planta piloto
Resultados experimentales
En el fondo del decantador se produce gran cantidad de ácidos volátiles.
La recirculación del fango incrementa la concentración
Ácidos volátiles (mg/l)
Exp. TRS (d) QR (l/h) Entrada Efluente Purga
123
3.83.74.7
1.522
Producción
AGV (mg/h)
9.1 21.1 448.2 4807681016
18.5 37.7 536.46.2 31.6 575.0
64
Validación del modelo
Simulación en DESASSCaracterización del agua de entrada
Experimento 1 Experimento 2
Experimento 3
Q : Caudal entrada (l/h) 40.0 40.0 40.0Qr :Caudal recirculación (l/h) 1.5 2.0 2.0Qp Caudal purga (l/h) 0.065 0.069 0.060θc :Tiempo de ret. sólidos (días) 3.8 3.7 4.7
SF (mg DQO/l) 32.3 43.3 83.8
SA (mg DQO/l) 6.4 12.1 4.3
SPRO (mg DQO/l) 2.7 5.2 1.9
SNH4 (mg N/l) 34.6 37.7 34.5
SPO4 (mg P/l) 3.9 4.2 3.4
SALK (mg CaCO3/l) 8.4 8.4 8.7
XI (mg DQO/l) 119.0 48.0 80.7
XS (mg DQO/l) 149.0 301.0 186.3
XTSS (mg SS/l) 205.1 297.4 226.5
65
Validación del modelo
Simulación en DESASSResultados de la simulación
Variables medidas
Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3Purga Efluente Purga Efluente Purga Efluente
El modelo matemático pudo representar satisfactoriamente tanto la sedimentación de los sólidos, como la generación de ácidos volátiles y su elutriación.
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Validación del modelo
Simulación en DESASS
Perfil de pH y ácidos volátiles en el decantador
Altura desde el fondo (m)
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Procesos de sedimentación
Sedimentación floculada (Tipo II)El tiempo de retención en las zonas de floculación será un parámetro importante.Floculación de los fangos activados:
Dos procesos opuestos:
Formación de flóculos
Rotura de flóculos
Distribución bimodal detamaños de partícula
GnXkGXkdtdn
Am
B ⋅⋅⋅−⋅⋅=