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CAPITULO XII
XII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Anteriormente la planta sólo contaba con el proceso biológico de lodos
activados, el tren de tratamiento descrito con anterioridad lleva en funcionamiento
alrededor de 1 año, esta es la razón por la cual se han ido presentado diversas
variaciones en el estado y comportamiento de ambos reactores, UASB y lodos
activados. Es por esto que las primeras simulaciones realizadas son con el reactor de
lodos activados, además como lo explica la revisión bibliográfica, la base para la
utilización de modelos matemáticos es el modelo aerobio.
Las condiciones hidráulicas y de carga para las primeras simulaciones son:
Tabla 15. Condiciones del reactor aerobio
Volumen del reactor
968 m3
Volumen del clarificador
415 m3
Flujo promedio
6 l/s - 515 m3/día
Carga orgánica promedio de entrada
2000 mg DQO/L
Recirculación de lodos
129 m2/día
45 horas
Tiempo de residencia hidráulico (τ)
Carga orgánica promedio de salida
600 mg DQO/L
El tiempo de residencia es muy alto, el valor recomendado oscila entre 4-8 horas, por lo
cual pueden existir problemas en el desempeño de reactor. Para obtener el flujo de
recirculación se tomó la ecuación:
Qr = Q
X
Xr − X
Donde:
Qr = Recirculación de lodos
Q = Flujo de entrada al clarificador
X = Sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado (SSVLM) en el reactor
Xr = Sólidos suspendidos en el retorno de lodos
El valor de operación aproximado para X es de 2,000 ppm de biomasa y el de Xr de
10,000 ppm de biomasa. Con estos datos, el valor que se obtuvo para el flujo de
recirculación de lodos es de 128.75 m3/día.
12.1 Simulaciones 1
El objetivo del primer grupo de simulaciones fue determinar la configuración de planta
de tratamiento a simular en el programa ASIM que sea capaz de reproducir el
comportamiento del reactor de lodos activados lo mejor posible para realizar su análisis.
Debido a la falta de datos de caracterización de la planta de tratamiento, el valor de
carga orgánica de 2,000 ppm se dividió en partes al 50% cada una, sustrato soluble y
sustrato en partícula, todo los demás valores se tomaron de los propuestos por el modelo
ASM No1. Todos los parámetros cinéticos y estequiométricos en su totalidad también
se supusieron de los datos presentados en el mismo modelo ASM No. 1. Los datos
estequiométricos y cinéticos utilizados, así como la matriz estequiométrica empleada
pueden ser consultados en el apéndice I.
Tabla 16. Datos de concentración para el reactor aerobio
Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L
Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L
Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L
Nitrógeno amoniacal, mg N /L
Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L
Alcalinidad, unidades molares
Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L
Especies en partículas
Materia orgánica en partículas inerte, mg/L
Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L
Biomasa heterotrófica, mg DQO /L
Biomasa autotrófica, mg DQO /L
Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L
Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L
Alimentación
Datos típicos
en el reactor
2
25
1000
20
0
1
5
2
25
15
1
5
0.5
4
40
1000
25
0
200
8
900
30
1500
100
2000
5
El valor de la señal de comando de oxígeno en el reactor aerobio fue de 2 mg O2/l y el
del coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa) de 0 s-1.
Las opciones se presentan en la siguiente tabla, la finalidad de encontrar la
configuración idónea radica en encontrar la forma de simular el reactor junto con su
clarificador secundario teniendo en cuenta la cama de lodos a recircular. Los resultados
se muestran en el apéndice II.
Tabla 17. Configuraciones probadas para la simulación de la planta aerobia
%Volumen del
Recirculación Clarificador
Reactor 1 Reactor 2
clarificador real
de lodos
secundario
Reactor 1 Clarificador
1
No
Si
No
No
2
No
Si
Si
No
3
No
Si
Si
Si
100
4
Si
Si
Si
Si
50
50
5
Si
Si
Si
Si
20
80
6
Si
Si
Si
Si
10
90
7
Si
Si
Si
Si
15
85
La tabla presenta la secuencia de prueba de las configuraciones, en la primer opción
sólo se simuló un reactor aerobio, sin embargo no se sabe la cantidad de lodos en
exceso, la concentración de SSVLM. También existe la falta de esta información en las
opciones 2 y 3, a pesar de contemplar la número 3 un clarificador secundario. Estas
simulaciones se desecharon al no ser viables.
Figura 6. Configuración inicial para la planta aerobia
Para las siguientes simulaciones se incorporó un reactor, esta opción permitió emular
la parte inferior del clarificador, en donde se encuentran la biomasa sedimentada. Para
esta nueva configuración, el reactor número 1 recibe solamente la recirculación de
lodos proveniente del clarificador, tiene especificado como 0 mg O2/l, el reactor 2 o
aerobio recibe el efluente principal y el flujo del primer reactor siendo éste
principalmente el retorno de lodos. Ver figura 7.
Figura 7. Configuración con 2 reactores para la planta aerobia
Como ya se mencionó el volumen del clarificador es de 415 m3, el reactor añadido y
el clarificador deben de sumar este volumen, debido a lo anterior se realizaron
simulaciones con diferentes porcentajes de volumen del reactor 1 y clarificador como
se observa en la tabla. El porcentaje de lodos en el clarificador secundario de la planta
no se tiene cuantificado, sin embargo visualmente es muy bajo, por lo que de las
simulaciones realizadas se observó que en el valor más bajo del porcentaje de
volumen del reactor 1, se presentan ciertos inconsistencias en los resultados,
atribuidos a la capacidad de convergencia del programa. Por lo que se tomo como
porcentaje de volumen la relación 15% - 85% de reactor 1 y clarificador
respectivamente, ya que a éste no se presentan incongruencias de solución, quedando
los volúmenes a simular de la siguiente manera
•
Volumen del reactor 1
•
Volumen del clarificador secundario
63 m3
352 m3
Los resultados de eficiencia de remoción y de consumo de oxígeno de todas las
opciones se presenta en la tabla 18. Se observa que el porcentaje de remoción en todos
los casos es el mismo, sin embargo la importancia de observar la recirculación y
producción de lodos es de igual o mayor importancia que la calidad final del efluente.
Tabla 18. Resultados se simulaciones 1
Opciones
SS efluente
mg DQO /L
XS efluente
mg DQO /L
1
2
3
4
5
6
7
17.04
9.135
9.50
14.80
12.49
11.201
11.93
19.95
24.26
24.26
26.91
26.56
25.73
26.241
Consumo de
oxígeno
g/día
1045.88
14.15
14.15
1259.11
1306.84
14.17
1313.281
% Remoción
98.15 %
98.33 %
98.31
97.91
98.05
98.15
98.09
12.2 Simulaciones 2
El objetivo de este paquete de simulaciones fue observar el tiempo necesario para
alcanzar el estado estable en las simulaciones. Los datos de entrada para la simulación
se presentan en la siguiente tabla y los parámetros estequiométricos y cinéticos son los
mismos que en el grupo anterior.
Tabla 19. Datos de concentración para el reactor aerobio en simulaciones 2
Datos típicos
Alimentación
en el reactor
Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L
0
2
Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L
0
25
Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L
1000
15
Nitrógeno amoniacal, mg N /L
36.6
1
Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L
0
5
Alcalinidad, unidades molares
4
0.5
Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L
Especies en partículas
Materia orgánica en partículas inerte, mg/L
Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L
Biomasa heterotrófica, mg DQO /L
Biomasa autotrófica, mg DQO /L
Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L
Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L
36.6
4
0
1000
0
0
0
0
900
30
1500
100
2000
5
Las simulaciones se llevaron a cabo a 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 20 días. De los resultados se
observó la evolución de sustrato soluble rápidamente biodegradable en los dos
reactores y en el clarificador así como el sustrato lentamente biodegradable. Los
resultados de estas simulaciones se presentan en el apéndice III.
Figura 8. Remoción de sustrato soluble a través del tiempo para alcanzar estado
estable
REMOCIÓN DE SUSTRATO SOLUBLE
Sustrato en
reactor 1
Sustrato en
reactor2
Sustrato en
clarificador
120
mg DQO/L
100
80
60
40
20
0
0
5
10
Tiempo d
15
20
Figura 9. Remoción de sustrato en partícula a través del tiempo para alcanzar
estado estable
REMOCIÓN DE SUSTRATO PARTICULADO
120
1400
100
1300
1200
80
1100
1000
60
900
40
800
700
20
600
500
Sustrato paticulado R2 (mg DQO/l)
Sustrato paticulado R1 (mg DQO/l)
1500
Sustrato en reactor
1
Sustrato en reactor
2
0
0
5
10
15
20
Tiempo (d)
De los gráficos anteriores se observa que el sistema llega en los primeros días a un
estado estable, para SS aproximadamente a los 4 días de operación, mientras que para
XS es cerca de día 10 iniciado el proceso en el reactor 1, mientras que para el reactor 2
es al día 20. Con base en lo anterior de decidió que las simulaciones, tanto puntuales
como dinámicas que se realicen serán a 20 días de operación como mínimo.
12.3 Simulaciones 3
Esta serie de simulaciones es la más importante, ya que es en sí la sintonización del
modelo con la planta. En éstas se exploraron los efectos de los parámetros
estequiométricos y cinéticos, ya que debido a la falta de datos experimentales no es
posible su obtención directa. Se buscó obtener los valores de salida actuales de la
planta correspondientes al sustrato, tanto el soluble (SS) como el sustrato en partículas
(XS) y a los sólidos suspendidos totales (SST) en el que se incluyen la biomasa
heterótrofa (XB,H), la biomasa autótrofa (XB,A), la materia orgánica en partículas (XP)
y el nitrógeno orgánico (XND). Los resultados de las simulaciones 3, se encuentran en
el apéndice IV.
La configuración de la planta fue la elegida en la serie 1 y la integración del proceso
se realizó a los 20 días.
12.3.1 Sustrato soluble rápidamente biodegradable. Es uno de los valores mas
importantes, ya que denota la cantidad de materia orgánica presente en el agua,
comúnmente junto con el sustrato lentamente biodegradable se denomina la cantidad
de contaminación en el agua residual.
La concentración de sustrato rápidamente biodegradable se ve reducida por el
crecimiento de bacterias heterotróficas, tanto en condiciones aerobias como anóxicas
y aumenta por la hidrólisis del sustrato lentamente biodegradable, como se describe en
la ecuación diferencial de conversión (Jeppson, 1996).
⎡ ∧
dS S ⎢ µ H
= −
⎢ Υ
dt
H
⎢⎣
⎛ SS
⎜
⎜K +S
S
⎝ S
⎞⎧⎪⎛
SO
⎟⎨⎜
⎟ ⎜K
⎠⎪⎩⎝ O, H + S O
XS
+ kh
KX +
⎞
⎛ K O, H
S NO
⎟ +η g ⎜
⎟
⎜K
⎠
⎝ O , H + S O K NO + S NO
X B,H
XS
X B,H
⎧⎪⎛
SO
⎨⎜⎜
⎪⎩⎝ K O , H + S O
⎞⎫⎪
⎟⎬
⎟⎪
⎠⎭
⎞
⎛ K O, H
S NO
⎟ +η h ⎜
⎟
⎜ K O , H + S O K NO + S NO
⎠
⎝
⎤
⎞⎫⎪⎥
⎟ ⎬⎥ X B , H
⎟⎪
⎠ ⎭⎥
⎥⎦
Los parámetros que intervienen en la conversión de SS son µH, YH, KS, ηg, KO,H, KNO,
kh, KX y ηh. La tasa de producción de biomasa (YH) es el único parámetro
estequiométrico involucrado y de acuerdo con la literatura existe un intervalo de
valores reportado, por lo que puede ser modificado; de los parámetros cinéticos la tasa
máxima específica de crecimiento para bacterias heterótrofas µH y la constante de
velocidad media para las bacterias heterótrofas KS, también pueden ser ajustados,
mientras los valores de ηg, KO,H y KNO se reporta que su valor puede ser tomado del
modelo ASM1 y los datos de kh, KX y ηh presentan un único valor reportado.
Los intervalos tomados de la literatura para los de los parámetros que pueden ser
modificados se muestran en la tabla 20.
Tabla 20. Parámetros que influyen en SS
Valores
iniciales
KS (mg/L)
20
YH (g biomasa DQO/g
0.67
Intervalos reportados
10
0.46
180
0.69
biomasa usada)
µH (d-1)
6
3
13.2
Para cada parámetro se realizaron diversas simulaciones para observar su impacto
sobre SS.
12.3.1.1 Constante de velocidad media para las bacterias heterótrofas, KS
Como se observa en la tabla este valor tiene un rango amplio de valores. Se simuló la
planta con los valores de KS inicial reportado en el modelo, el valor máximo y el valor
mínimo. De los resultados obtenidos se analizaron los valores de SS y XS, la suma de
éstos y el valor de SST, se presenta los datos en la siguiente tabla.
Tabla 21. Resultados de la sintonización del parámetro KS
Sustrato
KS (mg/L)
SS (ppm)
XS (ppm)
total (ppm)
10
2.00
25.96
27.96
20
4.00
25.90
29.90
180
35.87
25.70
61.57
SST (ppm)
1948.36
1946.52
1917.41
Se observa que a medida que se va aumentando KS hay un aumento en el sustrato
rápidamente biodegradable, cabe recordar que las condiciones de la planta son
alrededor de 600 ppm siendo la suma de ambos sustratos correspondientes al efluente;
el sustrato lentamente biodegradable así como los SST no presentan un efecto
considerable al cambio de KS. Observados los resultados, se tomó el valor de KS =
180 mg/L para las próximas simulaciones.
Figura 10. Sintonización del parámetro KS, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
40
Sustrato
rápidamente
biodegradable
Sustrato
lentamente
biodegradable
35
mg DQO/L
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
KS mg/L
Figura 11. Sintonización del parámetro KS, SST
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
2500
Sólidos
suspendidos
totales
mg DQO/L
2000
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
KS mg/L
12.3.1.2 Tasa de producción de biomasa, YH
El siguiente valor a encontrar es el único parámetro estequiométrico. De la misma
manera que el valor anterior, se realizaron simulaciones con los valores de YH default,
el valor máximo y el valor mínimo. De los resultados obtenidos se consideraron los
valores de SS y XS, la suma de ellos y el valor de los SST.
Tabla 22. Resultados de la sintonización del parámetro YH
YH (g biomasa
Sustrato
DQO/g biomasa
SS (ppm)
XS (ppm)
total (ppm)
usada)
0.46
34.29
21.23
55.52
0.67
35.86
25.70
61.57
0.69
36.17
26.52
62.70
SST (ppm)
1076.95
1917.41
2024.20
A medida que YH aumenta, existe un aumento tanto de SS como XS, sin embargo es
casi inapreciable, sin embargo si existe un aumento considerable del valor de SST, ya
que aumenta alrededor de 1000 ppm del valor minino al máximo. Lo anterior se
observa en las siguientes gráficas.
Figura 12. Sintonización del parámetro YH, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO YH
40
Sustrato
rápidamente
biodegradable
35
Sustrato
lentamente
biodegradable
mg DQO/L
30
25
20
15
10
5
0
0.4
0.5
0.6
YH g biomasa DQO/g biomasa usada
0.7
Figura 13. Sintonización del parámetro YH, SST
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO YH
2200
Sólidos
suspendidos
totales
2000
1800
1600
mg DQO/L
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0.4
0.5
0.6
0.7
YH g biomasa DQO/g biomasa usada
Para las siguientes simulaciones se tomará el valor máximo de YH = 0.69 g biomasa
DQO/g biomasa usada y se seguirá con el valor máximo de KS.
12.3.1.3 Tasa máxima específica de crecimiento para bacterias heterótrofas, µH
Finamente para el valor de SS tenemos el parámetro cinético de µH. Como en los casos
anteriores se simuló en los valores extremos reportados, en la tabla siguiente se
muestran los datos bibliográficos así como el análisis de los valores de SS y XS, la
suma de ellos y el valor de los SST.
Tabla 23. Resultados de la sintonización del parámetro µH
Sustrato
XS (ppm)
SS (ppm)
µH (d-1)
total (ppm)
3
89.88
26.08
115.97
6
36.17
26.52
62.69
13.2
14.85
26.69
41.54
SST (ppm)
1971.58
2024.20
2044.00
Para SS, existe un aumento al ir disminuyendo el valor de µH, sin embargo para XS y
SST, no existe una relación con µH, ya que no presentan cambios significativos, como
se observa en las gráficas siguientes.
Figura 14. Sintonización del parámetro µH, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO µH
100
Sustrato
rápidamente
biodegradable
Sustrato
lentamente
bi d
d bl
90
80
mg DQO/L
70
60
50
40
30
20
10
0
0
3
6
9
12
-1
µH d
Figura 15. Sintonización del parámetro µH, SST
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO µH
2500
Sólidos
suspendidos
totales
mg DQO/L
2000
1500
1000
500
0
0
3
6
9
µH d
12
-1
De acuerdo con los resultados, la mejor sintonización para el valor de SS variando
parámetros cinéticos y estequiométricos es con los siguientes parámetros.
Tabla 24. Datos sintonizados para los parámetros
explorados
180 mg/L
KS
YH
0.69 g biomasa DQO/g
biomasa usada
3 d-1
µH
12.3.2 Sustrato en partícula lentamente biodegradable, XS. Junto con SS denotan
la “contaminación” existente en el agua residual, por lo tanto también es necesario
observar los parámetros que afectan este valor.
La concentración del sustrato lentamente biodegradable, Xs aumenta debido al
reciclaje de las bacterias muertas de acuerdo con la hipótesis de la muerte-generación
y disminuye por el proceso de hidrólisis, como se describe en la ecuación diferencial
de conversión.
XS
X B, H
dX S
= 1 − f p (b H X B, H − b A X B, A ) − k h
X
dt
KX + S
X B, H
(
)
⎧⎪
⎛ K O, H
SO
S NO
+η h ⎜
⎨
⎜
⎪⎩ K O , H + S O
⎝ K O , H + S O K NO + S NO
⎞⎫⎪
⎟⎬ X B , H
⎟⎪
⎠⎭
Los parámetros que afectan la concentración del sustrato lentamente biodegradable
(Xs) son fp, bH, bA, kh, KX, KO,H y KNO. Sin embargo de acuerdo con la literatura los
valores de que pueden permanecer fijos debido a su invariabilidad o su único valor
son todos con excepción de la tasa de descomposición-lisis para bacterias
heterotróficas bH, por lo que será el único parámetro a estudiar. La tabla siguiente
muestra el valor default de modelo así como los datos extremos reportados.
Tabla 25. Datos extremos y default del
parámetro bH
0.069 d-1
0.62 d-1
4.38 d-1
Simulados los tres valores se observó que el valor XS no seguía una tendencia
determinada, razón por la cual se realizó la simulación de cierta cantidad de valores
intermedios.
Tabla 26. Valores del parámetro bH simulados
bH (d-1)
SS (ppm)
XS (ppm)
0.09
0.20
0.25
0.30
141.98
102.16
123.51
148.21
9.95
13.85
15.36
16.77
Sustrato
total (ppm)
151.94
116.01
138.87
164.99
SST(ppm)
2954.74
2657.54
2502.60
2362.55
0.35
0.50
0.55
0.62
0.70
1.00
1.25
1.50
1.62
1.65
1.70
1.75
2.00
4.38
90.48
72.76
79.63
89.88
102.53
161.43
231.05
334.51
404.79
425.37
462.86
507.70
1000.06
999.98
18.49
22.74
24.11
26.09
28.46
39.59
54.79
87.68
126.55
143.21
184.89
272.52
2478.95
2555.60
108.97
95.50
103.74
115.97
130.99
201.03
285.84
422.19
531.34
568.57
647.75
780.21
3479.01
3555.58
2336.44
2126.16
2057.76
1971.58
1884.25
1626.24
1455.45
1290.52
1200.55
1175.06
1127.49
1072.75
107.53
95.60
Como se puede observar, este parámetro influye tanto en la degradación de materia
orgánica como en la formación de biomasa heterotrófica. Cuando la tasa de
descomposición – lisis de bacterias heterotróficas aumenta hay una reducción en la
cantidad de ellas y consecuentemente un reducción de los SST; debido a esta
descomposición de la biomasa heterotrófica aumenta la fracción de sustrato en
partículas. A lo que se refiere al sustrato soluble rápidamente biodegradable, presenta
una variación sin tendencia desde 0.09 a 1.00 con diversos picos, y a partir de
entonces sigue una tendencia ascendente, que puede ser atribuida a la elevada muerte
de biomasa heterotrófica la cual no degradará el sustrato y a los productos de
hidrólisis del sustrato en partículas proveniente de esta descomposición. Es también
resultado del valor asignado al parámetro de crecimiento de la biomasa que es 1.00 d1
, que cumple el balance de generación de biomasa.
Se cree que el problema radica en el volumen del reactor aerobio es excesivamente
grande lo que hace que haya un elevado tiempo de residencia (τ). Debido a este
elevado tiempo de residencia se da un aumento en el coeficiente de descomposición lisis para bacterias heterotróficas (bH) las cuales pasaran a formar parte del sustrato en
partículas y este por hidrólisis a sustrato soluble, provocando un aumento de sustrato
en la salida del reactor sin haber obtenido el valor deseado de biomasa heterotrófica
en el reactor aerobio.
De estas simulaciones se deduce que la mejor opción para sintonizar la planta es
tomar un valor de bH de 1.70 d-1, ya que de esta manera se obtiene un valor
aproximado de 600 ppm de sustrato total, valor promedio de salida de la planta
aerobia.
Con base en lo anterior, se cree que para poder corregir el problema de la lisis, se
podría disminuir el número de los aireadores del reactor aerobio, se tienen 3
funcionando, para suministrar menos cantidad de oxígeno y disminuir la etapa
endógena de estos microorganismos y así no se daría la posibilidad de que hubiera
tanta lisis de la biomasa heterotrófica, porque como se ha visto aumenta
consecuentemente la cantidad de sustrato soluble.
Para confirmar lo anterior se realizó el cálculo de la cantidad de oxigeno requerido
para la misma planta de tratamiento basado en las ecuaciones de diseño de Ramalho.
En este algoritmo tenemos que el volumen necesario para realizar la depuración de la
materia orgánica de aproximadamente 2000 mg DQO/L hasta aproximadamente 180
mg DQO/L, es cercano a 700 m3 y una cantidad de oxígeno del orden de 35 kg/h. De
acuerdo con los datos obtenidos de la simulación con un valor de bH=1.70 d-1 se
requeriría cerca de 612 kg de O2/día ó 25.5 kg de O2/h.
Finalmente de acuerdo con los datos proporcionados por la empresa, se cuenta con 3
aireadores, cada uno con la capacidad de suministrar 1800 lb O2/d, con lo cual por las
3 unidades tendríamos un aporte de O2 de 102 kg de O2/día. Como se puede observar
se esta suministrando una cantidad excesiva de oxígeno, fomentando el proceso de
lisis en un reactor de volumen elevado.
12.4 Simulaciones 4
Como se mencionó con anterioridad el reactor anaerobio lleva poco tiempo en
operación, lo cual ha provocado ciertos cambios en el tren de tratamiento, las últimas
simulaciones contemplaron la sintonización del reactor anaerobio y aerobio con las
nuevas condiciones del tren de tratamiento y las nuevas condiciones de la planta. Las
simulaciones se presentan en el apéndice V.
Tabla 27. Condiciones actuales del tren de tratamiento de la empresa
Anaerobio
Aerobio
Volumen del reactor
730 m3
968 m3
Volumen del clarificador
415 m3
Flujo promedio
1209 m3/d
1209 m3/d
Retorno de lodos
213 m3/d
Edad de lodos
9.0 días
Aireadores funcionando
2 unidades
Carga orgánica promedio de entrada
4000 mg DQO/L
1000 mg DQO/L
Carga orgánica promedio de salida
1000 mg DQO/L
400 mg DQO/L
14. 48 horas
19.44 horas
Tiempo de residencia hidráulico (τ)
12.4.1 Sintonización del reactor anaerobio
Como primer criterio se determinó que la relación de Sb y Xb del total de materia
orgánica sería del 90 % - 10 % respectivamente, por lo que los datos de entrada para
el simulador serían 3600 ppm.
Tabla 28. Datos de entrada al proceso anaerobio
3600 mg DQO/L
Sb
Xb
400 mg DQO/L
Debido a la experiencia con las simulaciones anteriores y con lo reportado en el
artículo de Etmitwalli, el reactor se deberá modelar considerándose un reactor CSTR
(completely stirred tank reactor) por lo que la concentración de biomasa Xm deberá de
considerarse siempre presente en el efluente, el valor se considera alto por lo que se
escogió 25,000 mg /l para éste. De la misma manera las simulaciones llevadas a cabo
fueron dinámicas, para observar el tiempo necesario para llegar a un estado estable.
La configuración de la planta anaerobia fue siempre la misma, la cual se presenta en
la figura 16.
Figura 16. Configuración para la planta anaerobia
Para poder emular un reactor anaerobio la cantidad de oxígeno y el valor de KLa deben
de ser 0.
Los parámetros que intervienen en el modelo son Ym, Khyd, Km, KS y Kd, de los cuales
Ym y Kd permanecen constantes, por lo que los demás son viables para poder
sintonizar la planta. Los valores iniciales de los parámetros son:
Tabla 29. Datos iniciales de los parámetros del
ADM No. 1
0.1 mg DQO S/mg DQO X d
Ym
Khyd
0.04 d-1
Km
1.25 mg DQO S/mg DQO X d
200 mg DQO/L
KS
Kd
0.02 mg DQO S/mg DQO X d
12.4.1.1 Constante cinética de hidrólisis Khyd.
Los datos evaluados reportados en la literatura para este valor se simularon
observando su impacto en los valores de SB, XB y SCH4.
Tabla 30. Resultados de la sintonización del parámetro Κhyd
Khyd
(d-1)
0.04
0.15
0.30
Metano
SCH4 (mg
DQO/L)
3215.617
3249.874
3293.638
Sustrato Sb
(mg
DQO/L)
44.375
47.199
47.975
Sustrato Xb
(mg DQO/L)
697.273
644.246
594.9
Biomasa Xm
(mg DQO/L)
Sustrato total
SST (mg
DQO/L)
741.648
691.445
642.875
25000
25100
25100
El parámetro no afecta a la producción metano ni al sustrato rápidamente
biodegradable sin embargo si influye en el sustrato lentamente biodegradable, al
aumentar el parámetro el Xb disminuye considerablemente. La biomasa permanece
casi constante al cambiar Khyd. Con base en los datos se tomará el valor de 0.30 d-1
para las siguientes simulaciones.
Figura 17. Sintonización del parámetro Khyd, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO Khyd
800
Sustrato
rápidamente
biodegradable
700
Sustrato
lentamente
biodegradable
mg DQO/L
600
500
400
300
200
100
0
0.00
0.10
0.20
0.30
Khyd d-1
12.4.1.2 Concentración media de saturación, KS
De la misma manera que el parámetro anterior se evaluaron los datos reportados y se
observaron los mismos resultados.
Tabla 31. Resultados de la sintonización del parámetro Κs
Sustrato Sb
Sustrato Xb
Metano
Sustrato total
Ks (mg
SCH4 (mg
(mg
(mg DQO/L)
SST (mg
DQO/L)
DQO/L)
DQO/L)
DQO/L)
200
3293.6
47.975
594.9
642.875
400
3260.6
90.25
601.469
691.719
Biomasa Xm
(mg DQO/L)
25100
25000
600
3211.2
139.549
594.808
734.357
25100
En la tabla anterior y en la gráfica siguiente se aprecia que el parámetro no tiene
influencie en los valores Xm, SCH4 y Sb, sin embargo al aumentar su valor si se
presenta un aumento la concentración de Sb por lo que se designará el valor mayor
como la opción viable para las siguientes simulaciones, siendo KS= 600 mg DQO/L.
Figura 18. Sintonización del parámetro Ks, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
800
Sustrato
rápidamente
biodegradable
700
Sustrato
lentamente
biodegradable
mg DQO/L
600
500
400
300
200
100
0
150
350
550
KS mg DQO/L
12.4.1.3 Tasa máxima de consumo de Monod, Km
Es el último parámetro posible de observar si impacto en el proceso. Los datos
variados y los resultados para este valor son:
Tabla 32. Resultados de la sintonización del parámetro Κm
Sustrato Sb
Sustrato total
Km (mg
Metano
Sustrato Xb
(mg
SST (mg
DQO S/mg SCH4 (mg
(mg DQO/L)
DQO/L)
DQO/L)
DQO X d) DQO/L)
1.25
3211.2
139.549
594.808
734.357
0.667
3061.6
305.721
594.64
900.361
0.3333
2604.7
813.378
594.127
1407.505
Biomasa
Xm (mg
DQO/L)
25100
25000
25100
El valor que mejor representa la planta es el de Km= 0.667 mg DQO S/mg DQO X d.
Este valor esta altamente relacionado con la adicción de vitaminas para la floculación
del lodo, mientras exista una buena dotación de vitaminas para los lodos, el valor de
Km aumentará y por lo tanto existirá una mejor degradación de la materia orgánica y
por ende una mayor producción de metano.
Figura 19. Sintonización del parámetro Km, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO Km
1000
Sustrato
rápidamente
biodegradable
900
Sustrato
lentamente
biodegradable
800
mg DQO/L
700
600
500
400
300
200
100
0
0
0.4
0.8
1.2
Km mg DQO_S d/mg DQO_X
Es importante señalar que el valor de entrada para el XB es de 400 ppm, mientras que
su salida aumenta a un valor aproximado de 600 ppm, por lo que podemos afirmar
que el modelo anaerobio no contempla la remoción de este material, sin embargo se
presenta un aumento debido a la muerte de biomasa, la cual debe de ser muy baja.
Finalmente se varió la cantidad de biomasa activa Xm en el reactor para observar cual
es su efecto sobre el proceso.
Tabla 33. Resultados de la sintonización del componente Xm
Sustrato Sb
Sustrato total
Metano
Sustrato Xb
Biomasa Xm
SST (mg
SCH4 (mg
(mg
(mg DQO/L)
(mg DQO/L)
DQO/L)
DQO/L)
DQO/L)
25000
3061.6
305.721
594.64
900.361
20000
2958.5
411.103
544.014
955.117
15000
2768.7
612.871
493.291
1106.162
Figura 20. Sintonización del componente Xm, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DE BIOMASA ACTIVA
1000
Sustrato
rápidamente
biodegradable
900
Sustrato
lentamente
biodegradable
800
mg DQO/L
700
600
500
400
300
200
100
0
14000
19000
24000
Xm mg DQO/L
Figura 21. Sintonización del componente Xm, SCH4
SINTONIZACIÓN DE BIOMASA ACTIVA
4000
Metano
mg DQO/L
3500
3000
2500
2000
14000
19000
24000
Xm mg DQO/L
Como se esperaba, mientras exista una mayor cantidad de biomasa activa en el reactor
existirá una mayor degradación y una mayor producción de metano en el proceso,
cabe señalar que la biomasa activa afecta de manera diferente a los dos sustratos, al
aumentar el valor de Xm, Sb disminuye mientas que Xb aumenta. Para las condiciones
actuales de la planta se consideró que la cantidad de 20,000 mg DQO /L de biomasa
activa emula la planta de manera cercana. Los datos encontrados para la sintonización
del modelo son:
Tabla 34. Datos encontrados en la sintonización del modelo
anaerobio
Biomasa Xm
Km (mg DQO S/mg
Khyd (d-1)
Ks (mg DQO/L)
DQO X d)
(mg DQO/L)
0.30
600
0.667
20000
Para la simulación seleccionada para la sintonización del sistema tenemos una
conversión de metano de 2958.5 mg DQO / L. Tomando el caudal de la planta, así
como la conversión reportada por Metcalf & Hedí (0.40 L CH4/ g DQO) y con el dato
de la densidad del metano a 20 ºC (0.6781087 g /L) se obtiene la potencia capaz de
entregar la producción de metano siendo 754 caballos de fuerza.
12.4.2 Sintonización del reactor aerobio
Con los datos obtenidos de la simulación anaerobia, se introdujeron los datos de
sustrato en el modelo aerobio calibrado con anterioridad. Los nuevos datos de entrada
son:
Tabla 35. Datos de concentración finales para el reactor aerobio
Alimentación
Datos típicos
en el reactor
0
0
411.103
17.47
0
4
17.47
2
0
200
1
5
0.5
4
0
544.014
0
0
0
0
0
200
2000
100
1000
5
Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L
Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L
Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L
Nitrógeno amoniacal, mg N /L
Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L
Alcalinidad, unidades molares
Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L
Especies en partículas
Materia orgánica en partículas inerte, mg/L
Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L
Biomasa heterotrófica, mg DQO /L
Biomasa autotrófica, mg DQO /L
Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L
Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L
La primera simulación con los nuevos datos de entrada utilizó todos los parámetros
tanto estequiométricos como cinéticos encontrados en las primeras simulaciones
presentadas. Los datos de la simulación muestran que existe una gran cantidad de
sustrato total, esto se atribuye al valor elevado bH obtenido con anterioridad, pero con
las nuevas condiciones de concentración y la reducción del suministro de oxígeno al
reactor, se concluye que el valor de bH es menor al propuesto. Basados en esto, se
realizaron nuevas simulaciones para sintonizar nuevamente el valor de bH, los datos
exploraros así como los resultados más significativos se presentan en la siguiente
tabla y se reportan en el apéndice VI.
Tabla 36. Valores del parámetro bH simulados
bH (d-1)
SS (ppm)
XS (ppm)
1.7
1.5
1.3
1.2
377.395
371.914
291.425
236.894
1041.946
719.257
130.418
87.497
Sustrato
total (ppm)
1419.341
1091.171
421.843
324.391
SST(ppm)
1056.051
1151.537
1535.726
1751.3
De las opciones presentadas, el mejor valor que emula el nuevo desempeño del
reactor aerobio es el valor de bH= 1.2 d-1.
Como se observa con sólo esta modificación se obtuvo la sintonización del reactor
aerobio, confirmando lo descrito en las primeras simulaciones aerobias, el exceso de
aireación provoca un valor elevado en el parámetro bH produciéndose la lisis de gran
parte del material celular.