POLÍTICAS ÓPTIMAS DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS RESIDUALES POR DESNITRIFICACIÓN

Transcripción

1 UNIVERIDAD IBEROAMERICANA Estudios con Rconociminto d Validz Oficial por Dcrto Prsidncial dl 3 d abril d POLÍTICA ÓPTIMA DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUA REIDUALE POR DENITRIFICACIÓN T E I QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAETRA EN CIENCIA EN INGENIERÍA QUÍMICA PREENTA RIBIA GARCÍA ARRAZOLA DIRECTOR DE TEI: DR. ANTONIO FLORE TLACUAHUAC CODIRECTOR DE TEI: M. EN C. MARGARITA L. HERNÁNDEZ EPARZA LECTOR: M. EN I. MARTIN RIVERA TOLEDO MÉICO, D.F. 2007

2

3 Dso xprsar mi rconociminto al Consjo Nacional d Cincia y Tcnología y a la Univrsidad Ibroamricana por las facilidads brindadas para la obtnción dl grado d Mastra n Cincias n Ingniría Química

4 Est trabajo s lo ddico a cada uno d sos srs qu han tocado iluminado Mi Vida y Mi Andar A Dios, A mis padrs Rubén y Flor, A mi hrmano Rob, A Mi Anglito y Knab Amorado Migul Ángl, A Mi Pquño Anglito Ngro, Mlk, A mi Familia, A mis amigos, Tht y A mis mastros, Mastra Margarita, Carmn y Dr. Irugas

5 El ignorant afirma y l sabio duda y custiona Aristótls

6 R s u m n El procso Ludzack Ettingr Modificado s uno d los procsos d trataminto biológicos d aguas rsiduals más compljos. Est procso s jmplificó con l imulation Bnchmark, qu s una planta prototipo d la qu s tinn datos por l COT [Copp, J.B., 2000] bajo difrnts condicions climáticas, y a la cual s l aplicaron divrsas técnicas d optimización, a sabr: Disño d Exprimntos (DoE) y Optimización Dinámica imultána. Para podr ralizar lo antrior, s slccionó un modlo confiabl para prdcir la nitrificación y dsnitrificación, ya qu s db prmitir stimacions d la masa d los microorganismos nitrificadors-dsnitrificadors, los sólidos volátils totals prsnts n l licor mzclado y la concntración d amoniaco n l flunt. El Modlo AM1 y l d Takáçs facilitan stos cálculos, admás d qu son inhrnts al Bnchmark. También s ralizó un studio con bas n la toría d transfrncia d masa para obtnr l modlo d transfrncia dl oxígno, slccionándos l Modlo Linal. Considrando dichos modlos dinámicos, s disñó, analizó y jcutó la simulación dinámica d la planta n l lnguaj d MATLAB para rproducir, bajo difrnts condicions climáticas (quía, Normal, Lluvia y Tormnta), su comportaminto durant un timpo d procso dtrminado. Asimismo s validó l programa dsarrollado n MA- TLAB, tanto con un simulador académico conocido como JA [Uppsala Univrsity, 2006] como con los rsultados rportados por Copp, J.B. (2000). Con la simulación dinámica s studiaron las variabls qu afctan influyn n l bioprocso y s ayudó al análisis d la optimización dinámica. Admás, prmitió studiar a la planta bajo divrsas circunstancias y a cada uno d los sis quipos qu la in-

7 Rsumn vii tgran. Dichos studios diron la oportunidad d comprndr l fnómno biológico tanto d cada quipo como n conjunto. El studio d las variabls qu dfinn l bioprocso s ralizó a través d la aplicación dl DoE. slccionaron ocho factors. Cuatro furon no controlabls: gasto d alimntación dl agua rsidual ( Q ), sustrato sólido lntamnt biodgradabl ( ), nitrógno orgánico biodgradabl solubl ( ) y nitrógno amoniacal solubl ( ); y cuatro controlabls: gasto xtrno d la funt d carbono ( ), gasto d rcirculación intrna dl bioractor ( Q ), gasto d rcirculación d lodos ( Q ) y gasto dl air dl trcr y último ractor aróbico ( int la planta rsultó sr: Q,, Q y Q, principalmnt. in in Qsl air _ 3 Q air _ 3 ND Q xt ). En gnral, l ordn d importancia para toda int sl NH Una vz dfinidas stas variabls, s stablciron cinco políticas óptimas d opración bajo difrnts scnarios n dond s considró pasar d una condición climática a otra, como: quía a Lluvia; o bin, simplmnt optimizar la condición como s l caso d quía, Normal, Tormnta y Lluvia. Esto con l objtivo d ilustrar qué variabls dbn manipulars para controlar la calidad d la dscarga dl flunt a los curpos hídricos para cumplir con la norma y para qu la planta opr mjor. Asimismo st studio busca la robustz d stas políticas para podr disminuir la variación qu s pudira prsntar n la planta, ya qu n una planta d trataminto biológico d aguas rsiduals s prsntan cambios constantmnt. La dtrminación d las políticas óptimas, por mdio d las técnicas d optimización dinámica, s actualmnt d gran importancia para la opración d los procsos. Admás, la compljidad d stos problmas stá rlacionada con la prsncia d grands conjuntos d cuacions álgbro-difrncials altamnt no linals [Zavala, V.M., t al., 2005]; pro actualmnt xistn técnicas qu simplifican sto, como s l caso d la función hiprbólica para l manjo d la función max o min, qu rprsntan una discontinuidad n l sistma y qu s aplicado n st studio a la vlocidad d sdimntación y flux d sólidos por gravdad n l Modlo d Takáçs. Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

8 viii Rsumn Postriormnt a la dfinición d las políticas óptimas d opración, s ralizó la optimización dinámica simultána, cuyo objtivo fu minimizar la contaminación d nitrógno ( Ntot, nh, TKN y NO ), sólidos suspndidos totals ( T ) y, dmanda química y bioquímica d oxígno ( COD y BOD, rspctivamnt) n l flunt para cumplir con las spcificacions d dscarga dntro d un timpo d 40 horas. manipularon Qair _ 3 sl int, Q y Q para mantnr la calidad dl agua dl flunt dntro d las spcificacions. Como rsultado, s obtuvo un comportaminto tipo scalón qu, si s compara con la simulación dinámica, s obtin un timpo mnor y un valor d la variabl mnor o igual al simulado qu implica una optimización. La prsnt invstigación contribuy, a través d técnicas robustas stadísticas (Disño d Exprimntos), d simulación y d optimización (Optimización Dinámica imultána), al análisis y valuación d procsos d trataminto biológico d dsnitrificación (tipo MLE), y spcíficamnt a la planta imulation Bnchmark, qu no s habían aplicado n su conjunto. Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

9 C o n t n ii d o LITA DE NOMENCALTURA LITA DE TABLA LITA DE FIGURA INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1. ANTECEDENTE Trataminto Biológico d Aguas Rsiduals imulación d Procsos Métodos d Optimización para un Disño Robusto Disño d Exprimntos Optimización Dinámica. CAPÍTULO 2. CAO DE ETUDIO: IMULATION BENCHMARK Dscripción d la Planta Datos y Espcificacions d la Planta Modlos Dinámicos dl Bioprocso Procso Biológico dimntación-clarificación Vlocidad d Transfrncia dl Oxígno. CAPÍTULO 3. REULTADO Y DICUIÓN imulación y Validación dl Caso d Estudio Análisis y Optimización dl Bioprocso por mdio dl Disño d Exprimntos Dfinición d las Políticas Óptimas d Opración d la Planta Política I: quía-lluvia Política II: Tormnta Política III: quía Política IV: Normal Política V: Lluvia Optimización Dinámica imultána dl Bioprocso. CONCLUIONE. REFERENCIA

10 L ii s t a d N o m n c ll a t u r a a = Ára a la transfrncia d masa por unidad d volumn dl sistma [=] m 2 /m 3, timpo inicial fijo a A = Variabls d dcisión qu pudn sr controlabls A = Ára dl sdimntador scundario [=] m 2 A = Matriz d colocación kj m AC = Espacio m-dimnsional d funcions compltamnt continuas b = Timpo final fijo b B = Incrtidumbr qu no pud sr controlabl b A = Coficint d vlocidad d dcaiminto para la biomasa autotrófica [=] h -1 b H = Coficint d vlocidad d dcaiminto para la biomasa htrotrófica [=] h -1 C A, = Dnsidad molar total n la fas gasosa [=] kgmol/m 3 G C, = Dnsidad molar total n la fas líquida [=] kgmol/m 3 A L 0 C i = Concntracions al inicio d cada lmnto finito C = Puntos discrtizados ij C& = Primras drivadas d las concntracions ij C = Concntración d la alimntación [=] mg/l in C = Valor dl stado stacionario dl qu s part para ralizar la transición init dsada C = Concntración d la funt d carbono xtrna [=] mg/l xt C = Concntración d la rcirculación intrna [=] mg/l int C = Concntración d la rcirculación d lodos [=] mg/l sl C = Concntración dl sgundo ractor anóxico al sgundo ractor aróbico 1

11 Lista d Nomnclatura xi [=] mg/l k,, 1 dz dt i = Valor d la primra drivada n l lmnto i dl punto d colocación q, q f ( a, b) = pérdidas qu s acumulan dl disño a cuando las condicions b s obtinn f = Factor d convrsión d sólidos suspndidos a COD d 1 IP y f = Factor d convrsión d sólidos suspndidos a biomasa 2 f = Fracción no sdimntabl d los sólidos suspndidos n la alimntación ns f p = Fracción dl rndiminto d biomasa d productos particulados F = Rstriccions como cuacions difrncials G = Rstriccions como cuacions algbraicas h = Altura dl sdimntador scundario [=] m h f = Altura d alimntación dl sdimntador scundario [=] m h i = Longitud dl lmnto i H = Función Hamiltoniana i = Masa d nitrógno por masa d COD n la biomasa [=] g N/ g COD n B biomasa H = Condicions intrnas adicionals n timpos fijos t i = Masa d nitrógno por masa d COD n los productos d la biomasa n P la masa ndógna [=] g N/ g COD n masa ndógna J = Función costo J = Flux d sólidos corrspondint al moviminto hacia abajo dl sno dl dn líquido n las capas dl sdimntador scundario [=] mg /m² h J = Flux d sólidos corrspondint a la sdimntación por gravdad n las capas dl sdimntador scundario [=] mg /m² h J = Flux d sólidos corrspondint al moviminto hacia arriba dl sno dl up k 2 3 líquido n las capas dl sdimntador scundario [=] mg /m² h k = Parámtros d los modlos d transfrncia dl oxígno [=]m -3 k a = Vlocidad d amonificación [=] m 3 / g COD h ( k C a) = Coficint d transfrncia d masa volumétrico individual d la fas gasosa n unidads d gradint n dnsidad molar para difusión d A a través d B o (bar) stacionario [=] kgmol/m 2 s (atm) ó kgmol/m 2 s k = Vlocidad máxima spcífica d hidrólisis [=] g sbcod/ g célula COD h h Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

12 xii Lista d Nomnclatura ( k L a) = Coficint d transfrncia d masa volumétrico individual d la fas líquida n unidads d gradint n dnsidad molar para difusión d A a través d B o stacionario [=] kgmol/m 2 s (kgmol/m 3 ) [=] m/s ( K L a) = Coficint d transfrncia d masa volumétrico global n unidads d fas líquida n dnsidad molar para difusión d A a través d B o stacionario [=] h -1 K NH = Coficint d saturación mdia dl amoniaco para la biomasa autotrófica [=] g NH 3 -N/m 3 K NO = Coficint d saturación mdia dl nitrato para la dsnitrificación d la biomasa htrotrófica [=] g NO 3 -N/m 3 K OA = Coficint d saturación mdia dl oxígno para la biomasa autotrófica [=] g O 2 /m 3 K OH = Coficint d saturación mdia dl oxígno para la biomasa htrotrófica [=] g O 2 /m 3 K s = Coficint d saturación mdia para la biomasa htrotrófica [=] g COD/m 3 K = Coficint d saturación mdio para la hidrólisis d substrato lntamn- t biodgradabl [=] g sbcod/ g célula COD L = Forma d Lagrang m = Númro d capa d la alimntación dl sdimntador scundario max = Función máximo min = Función mínimo n = Númro d capas dl sdimntador scundario, númro d rspustas cada combinación d los nivls d los factors d control n = Factor d corrcción para la hidrólisis bajo condicions anóxicas h n = Factor d corrcción para µ bajo condicions anóxicas g H n = Númro d lmntos finitos ncol = Númro d puntos d cuadratura n cada lmnto N = Nitrógno N = Vlocidad d transfrncia d masa d A rspcto a un j fijo [=] A kgmol d A /s m 2 Ntot = Nitrógno total [=] mg N/L p = Rquisitos particulars, vctor dl parámtro dpndint dl timpo Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

13 Lista d Nomnclatura xiii P = Fósforo q = Punto d colocación Q = Gasto volumétrico dl air [=] m 3 /h air Q = Gasto volumétrico d la alimntación [=] m 3 /h in Q = Gasto volumétrico d la funt d carbono xtrna [=] m 3 /h xt Q = Gasto volumétrico d la rcirculación intrna [=] m 3 /h int Q = Gasto volumétrico d la rcirculación d lodos [=] m 3 /h sl Q = Gasto volumétrico d la salida dl primr ractor anóxico [=] m 3 /h 1 Q = Gasto volumétrico d alimntación dl sdimntador scundario [=] f m 3 /h Q = Gasto volumétrico n la bas dl sdimntador scundario [=] m 3 /h u Q = Gasto volumétrico d la purga d lodos dl sdimntador scundario [=] w m 3 /h Q = Gasto volumétrico dl flunt [=] m 3 /h r = Vlocidad d consumo d oxígno o rspiración R 2 = R cuadrada o coficint d dtrminación C k r = Vlocidad d racción d acurdo a la concntración,, corrspondint [=] mg/l h r = Parámtro d sdimntación asociado con l componnt d sdimnta- h ción rtardada d la cuación d vlocidad d sdimntación [=] L/mg r = Parámtro d sdimntación asociado con la concntración baja y l p componnt lntamnt sdimntabl n la suspnsión [=] L/mg = Concntración d solubls [=] mg/l = Alcalinidad [=] mmol/l ALK = Concntración d solubls n l flunt [=] mg/l I = Matria orgánica inrt solubl [=] mg COD/L in = Concntración d solubls n la alimntación [=] mg/l = Nitrógno orgánico solubl biodgradabl [=] mg N/L ND = Nitrógno amoniacal solubl (NH + NH 4 + NH 3 ) [=] mg N/L = Nitrógno como nitrato y nitrito solubl [=] mg N/L NO = Concntración d oxígno disulto [=] mg COD/L O = ubstrato solubl rápidamnt biodgradabl [=] mg COD/L = Concntración d solubls n la rcirculación d lodos [=] mg/l sl = Concntración d solubls n la bas dl sdimntador scundario [=] u C k Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

14 xiv Lista d Nomnclatura mg/l = Concntración d solubls n la purga d lodos dl sdimntador scun- w dario [=] mg/l t = Timpo t = Timpo d transición dsado o timpo final f t = Timpos fijos T = Tmpratura promdio [=] C u = Vctors d los prfils d control, vlocidad d flujo dl air 0 u i = Valor inicial d cada una d las variabls manipuladas u ( ) = Trayctoria d control u (t) Ω = Rstricción i q u = Valor d la variabl manipulada n la transición final o dsada ds u, = Valors d las variabls d control n l lmnto i n un punto d colocación q v s, = Vlocidad d sdimntación n la capa i [=] m/h i V = Volumn [=] m 3 V k = Volumn constant [=] m 3 W = istma finito d discontinuidads d u(t) W j = Psos d la cuadratura d Radau. x ( ) = m-vctor d funcions compltamnt continuas x& (t) = Trayctoria d stado BA = Biomasa autotrófica activa [=] mg COD/L BH = Biomasa htrotrófica activa [=] mg COD/L C = Concntración particulada [=] mg/l x = Factors no controlabls i I = Matria orgánica inrt particulada [=] mg COD/L = Matria orgánica inrt particulada y productos particulados prsnts IP por l dcaiminto d la biomasa [=] mg COD/L P = Productos particulados prsnts dl dcaiminto d la biomasa = Concntración mínima d sólidos suspndidos alcanzabl n l flunt min [=] mg/l = Nitrógno orgánico biodgradabl particulado [=] mg N/L ND = ustrato particulado lntamnt biodgradabl [=] mg COD/L Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

15 Lista d Nomnclatura xv = ólidos suspndidos n cada capa dl sdimntador scundario [=] mg f /L, = Concntración d los sólidos suspndidos n l gasto d alimntación dl sdimntador scundario [=] mg T/L = Límit para la concntración d sólidos suspndidos n l sdimntador t scundario [=] mg/l y = Vctors d los prfils dl stado algbraico i q y = Rspustas dl sistma por cada combinación d los nivls d los facto- i rs d control y, = Valors d las variabls algbraicas n l lmnto i n un punto d colocación q Y = Rndiminto para la biomasa autotrófica [=] g célula COD formada /g N A oxidado Y = Rndiminto para la biomasa htrotrófica [=] g célula COD formada/g H COD oxidado z = Vctor d los prfils dl stado difrncial ẑ = Vctor d las variabls dsadas o st-point 0 z = Valors inicials d z z = Valor d la variabl d stado d la transición final o dsada ds z i = Factors controlabls n l disño d xprimntos z i 1 = Valor d la variabl difrnciada al inicio dl lmnto i Z = Cualsquir función ubíndics dsignados 1 = Zona anóxica ó aróbica númro 1, primr capa dl sdimntador scundario 2 = Zona anóxica ó aróbica númro 2 3 = Zona aróbica númro 3 A = componnt A ar = Zona aróbica axr = Zona anóxica C = Concntración dl tipo d sólido ó solubl prsnt n cada quipo d la Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

16 xvi Lista d Nomnclatura planta d trataminto d aguas rsiduals D = quía ds = Dsado o final = Eflunt xt = Extrna f = Alimntación dl sdimntador scundario, final G = Gas o vapor i = Intrfas gas-líquido, contador d la sumatoria, cada factor dl disño d xprimntos, cada lmnto finito, cada una d las capas dl sdimntador scundario init = Inicial j = Cada punto d colocación ortogonal k = Númro d zona ó compartimnto dl bioractor dl imulation Bnchmark L = Líquido loc = Local MA = Valor máximo N = Normal Ph = Intrfas R = Lluvia = Tormnta sat = aturada sl = Rcirculación d lodos sttlr = dimntador scundario t = Total u = Bas dl sdimntador scundario w = Purga dl sdimntador scundario Ltras grigas α i, i+ 1 α = Factors pso ε = Error δ = Término o punto final d la trayctoria d difusión Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

17 Lista d Nomnclatura xvii δ = Trayctoria d difusión n l gas G δ L = Trayctoria d difusión n l líquido Φ, ϕ = Función objtivo scalar µ A = Vlocidad d crciminto spcífico máximo para la biomasa autotrófica [=] h -1 µ H = Vlocidad d crciminto spcífico máximo para la biomasa htrotrófica [=] h -1 v = Vlocidad máxima tórica d sdimntación [=] m/h 0 v 0 = Vlocidad máxima práctica d sdimntación [=] m/h τ = Timpos d rsidncia [=] h Ω = Polinomio d ordn ncol q ψ ( ) = n-vctor d funcions compltamnt continuas con dominio [ a,b] ψ 0 = Constant 0 Ψ = Polinomio d Lagrang d ordn ncol q Exponnt * = Equilibrio 0 = Valor inicial n un intrvalo Acrónimo AI AR AMMO AMPL ANA ANOVA AN AER AOP Intligncia Artificial (Artificial Intllignc) Métodos d rgión gométrica dlimitada (Gomtric Attainabl Rgion Mthod) Approximation and Modl Managmnt Optimization A Mathmatical Programming Languag Anaróbico Análisis d varianza (Analysis of Varianc) Anóxico Aróbico Procsos d Oxidación Avanzada (Advancd Oxidation Procsss) Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

18 xviii Lista d Nomnclatura AM1 Modlo d lodos activados númro 1 (Activatd ludg Modl Numbr 1) AM2 Modlo d lodos activados númro 2 (Activatd ludg Modl Numbr 2) AM3 Modlo d lodos activados númro 3 (Activatd ludg Modl Numbr 3) AP BNR BOD BOD 5 CBOD COD COT CTR DAE DoE DO Planta d lodos activados (Activatd ludg Plant) Procso d rmoción biológica d nutrints (Biological Nutrint Rmoval), Procso d rmoción d nitrógno (Biological Nitrogn Rmoval) Dmanda bioquímica d oxígno (Biochmical Oxygn Dmand) Dmanda bioquímica d oxígno jrcida n 5 días d incubación (Fivday Biochmical Oxygn Dmand) Dmanda bioquímica d oxígno dl matrial carbonáco (Carbonacous Biochmical Oxygn Dmand) Dmanda química d oxígno (Chmical Oxygn Dmand) Europan Co-opration in th fild of cintific and Tchnical Rsarch Ractors con agitación continua (Continuous tirrd Tank Ractor). Ecuacions álgbro-difrnciabls (Diffrntial-Algbraic Equation) Disño d Exprimntos (Dsign of Exprimnts) Oxígno disulto (Disolvd Oxygn) MLE Procso Ludzack Ettingr Modificado Mjorado (nhancd Modifid FDP GA GIWA Ludzack-Ettingr) Modlo d Planación y Dsarrollo d Altrnativas (Facilitis Dvlopmnt and Planning Modl) Algoritmo Gnético (Gntic Algorithm) Evaluador Intrnacional d Aguas (Th Global Intrnational Watrs Assssmnt) GLM = Modlo Linal Gnral (Gnral Linal Modl) HRT IR IRK IAWQ IPOPT JA m.o. MINLP Timpo d rsidncia hidráulico (Hydraulic Rsidnc Tim) Rcirculación intrna (Intrnal Rcycl) Métodos implícitos d Rung-Kutta (Implicit Rung-Kutta) Intrnational Association on Watr Quality Intrior Point Optimizr Java basd Activatd ludg procss imulator Microorganismos (microorganisms) Técnicas d programación mixta ntra no linal (Mixd-Intgr Non- Linar Programming) Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

19 Lista d Nomnclatura xix MLE MLR ML MLV Procso Ludzack Ettingr Modificado (Modifid Ludzack-Ettingr) Rcirculación d licor d mzcla (Mixd-Liquor Rcycl) ólidos suspndidos n l licor mzclado o biomasa (Mixd-Liquor uspndd olids) Licor mzclado d sólidos suspndidos volátils (Mixd-Liquor Volatil uspndd olids) MPEC NCP NFE NLP NO OA RA RTD rbcod RDO /N MF NdN QP Mathmatical Programs with Equilibrium Constraints Puntos intrnos d colocación ortogonal (Numbr of Collocation Points) Rgions o lmntos finitos quidistants (Numbr of Finit Elmnts) Programación No Linal (Non-linar Programming) Óxido nítrico (Nitric Oxid) Arrglos ortogonals (Orthogonal Arrays) Rcirculación d lodos activados (Rturn Activatd ludg) Distribución dl timpo d rsidncia (Rsidnc Tim Distribution) Matrial orgánico fácilmnt biodgradabl y solubl (radily biodgradabl solubl Chmical Oxygn Dmand) Optimización dl disño robusto (Robust Dsign Optimisation) Rlación sñal a ruido (ignal to nois ratio) urrogat Managmnt Framwork Nitrificación y dsnitrificación simultána (imultanous Nitrification and Dnitrification) Método d programación cuadrática sucsiva ó scuncial (uccssiv Quadratic Programming) T RT TKN TOC T TVOC ólidos suspndidos (uspndd olids) Tanqus d sdimntación scundaria (condary ttling Tanks) Timpo d rsidncia d sólidos (ludg Rsidnc Tim) Nitrógno total Kjldahl (Total Kjldahl Nitrogn) Carbono orgánico total (Total Organic Carbon) ólidos suspndidos totals (Total uspndd olids) Compustos orgánicos volátils totals (Total Volatil Organic Compounds) UN UNEP Organización d las Nacions Unidas (Unitd Nations) Programa Ambintal d la Organización d las Nacions Unidas (Unitd Nations Environmntal Programm) Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

20 xx Lista d Nomnclatura VCM V WA WPCF Variabl Complxity Modling ólidos suspndidos volátils (Volatil uspndd olids) Purga d lodos activados (Wast Activatd ludg) Fdración para l Control d la Contaminación n l Agua (Watr Pollution Control Fdration) Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

21 L ii s t a d T a b ll a s Tabla 1.1. Clasificación d las variabls rspusta dl Modlo Taguchi [Minitab, 2003]. Tabla 2.1. Concntracions promdio d ntrada a la planta dl imulation Bnchmark [Copp, J.B., 2000]. Tabla 2.2. Parámtros hidráulicos dl bioractor dl imulation Bnchmark [Jppsson, U., 1997; Lindbrg, C.F., 1997; Copp, J.B., 2000; amulsson, P., 2005]. Tabla 2.3. Parámtros hidráulicos dl sdimntador scundario dl imulation Bnchmark [Takáçs, I., t al., 1991; otomayor, O.A.Z., t al., 2001]. Tabla 2.4. Timpos d rsidncia n la planta d trataminto d aguas dl imulation Bnchmark. Tabla 2.5. Coficints d transfrncia d masa oxígno-air-agua dl Bnchmark [Copp, J.B., 2000]. Tabla 2.6. Espcificacions d la calidad dl flunt dl imulation Bnchmark [Copp, J.B., 2000; otomayor, O.A.Z., t al., 2001]. Tabla 2.7. Comparación d las spcificacions d la calidad dl flunt d la planta dl imulation Bnchmark, con la Norma Oficial Mxicana (NOM-001- EMARNAT 1996), la Norma Almana (ARA-VwV 1991), la Norma China, la Comunidad Económica Europa (Dirctiv 91/271/EEC) y la Organización d las Nacions Unidas (UN). Tabla 2.8. Componnts dl modlo AM1 [Hnz, M., t al., 1987]. Tabla 2.9. Procsos Dinámicos n l Modlo AM1 [Hnz, M., t al., 1987; Jppsson, U., 1996]. Tabla Valors d los parámtros para l AM1 a 20 C.

22 xxii Lista d Tablas Tabla Tabla Tabla Tabla Vlocidads d racción para los componnts particulados [Hnz, M., t al., 1987]. Vlocidads d racción para los componnts solubls [Hnz, M., t al., 1987]. Parámtros d opración dl sdimntador [Takáçs, I., t al., 1991; otomayor, O.A.Z., t al., 2001]. Modlos para la función d transfrncia dl oxígno [otomayor, O.Z.A., t al., 2002]. Tabla 3.1. Tabla 3.2. Tabla 3.3. Tabla 3.4. Tabla 3.5. Tabla 3.6. Tabla 3.7. Rsultados d los Modlos para la función d transfrncia dl oxígno obtnidos por MATHCAD. Comparación d las solucions para l stado stacionario d la condición Normal d opración obtnidas con l programa n MATLAB, l simulador JA y l imulation Bnchmark rportado por l COT para l flunt. Comparación d los porcntajs d difrncia al aplicar los Modlos Linal y Linal Ajustado al imulation Bnchmark, con rspcto a los stimados por l simulador JA y lo rportado por l COT. Datos d la condición Normal d opración para la validación dl programa n MATLAB para la planta d trataminto biológico d aguas rsiduals por dsnitrificación. Comparación d las solucions para l stado stacionario d la condición Normal d opración obtnidas con l programa n MATLAB, l simulador JA y l imulation Bnchmark d COT para los ractors anóxicos d la planta d trataminto biológico d aguas rsiduals por dsnitrificación. Comparación d las solucions para l stado stacionario d la condición Normal d opración obtnidas con l programa n MATLAB, l simulador JA y l imulation Bnchmark d COT para los ractors aróbicos d la planta d trataminto biológico d aguas rsiduals por dsnitrificación. Comparación d las solucions para l stado stacionario d la condición Normal d opración obtnidas con l programa n MATLAB, l simula- Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

23 Lista d Tablas xxiii Tabla 3.8. Tabla 3.9. dor JA y l imulation Bnchmark d COT para l sdimntador scundario d la planta d trataminto biológico d aguas rsiduals por dsnitrificación. Nivls d los factors para l DoE. Arrglo cruzado L 8 x L 8 dl Método Taguchi. Tabla Rlacions /N y mdias prdichas dl arrglo intrno-xtrno L 8 x L 8 Tabla Tabla Tabla para un timpo d procso d 39h para los parámtros d calidad dl agua. Arrglo L 16 dl Método Taguchi. Rlacions /N y mdias prdichas dl Arrglo L 16 para un timpo d procso d 39h para los parámtros d calidad dl agua. Valors d los nivls d la combinación óptima d factors obtnidos mdiant l Método Taguchi para l intrvalo d opración d quía a Lluvia. Tabla imulación d la combinación optima d factors ( Q in,1,2 NH,1 ND Q,1 xt Q sl,2 Q int,2 Q air _ 3,1 Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla 3.19.,1 ) mdiant l simulador JA para difrnts timpos d procso para la condición Normal d opración. Efctos significativos y no significativos d la planta dl imulation Bnchmark a través dl Modlo Factorial Parcial Fraccional, considrando ocho factors. Coficints usando datos n unidads sin codificar d una cuación d rgrsión múltipl para cada una d las variabls rspusta stimados por mdio l Modlo Factorial Fraccional para l intrvalo d opración n studio. Comparación ntr las variabls rspustas dl Bnchmark d las condicions d opración (quía, Normal, Tormnta y Lluvia) y la mtodología dl DoE a un timpo d procso d 9sm 3d 15h para cuando s considrn ocho factors (cuatro controlabls y cuatro d ruido). Valors d los nivls d la combinación óptima d factors obtnidos mdiant l Método Taguchi con cuatro factors para cada condición climática (quía, Normal, Tormnta y Lluvia). Comparación d las variabls rspusta dl Bnchmark d las condicions d opración (quía, Normal, Tormnta y Lluvia) con la mtodología Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

24 xxiv Lista d Tablas dl DoE, a un timpo d procso d 9sm 3d 15h, para cuando s considraron cuatro factors controlabls. Tabla Comparación d las variabls rspusta dl Bnchmark d las condicions d quía y Normal con la mtodología dl DoE, a un timpo d procso d 9sm 3d 15h para cuando s aumntó un 20 por cinto las rcirculacions y l flujo dl air dl ractor aróbico óptimos. Tabla Comparación d las variabls rspustas dl Bnchmark d las condicions d opración (quía, Normal, Tormnta y Lluvia) con la mtodología dl DoE, a un timpo d procso d 9sm 3d 15h para cuando s incrmntó un 20 por cinto los nivls óptimos d las rcirculacions y s mantuvo l flujo dl air d opración. Tabla Condicions oprativas dl Bnchmark para quía, Normal, Tormnta y Lluvia a un timpo d procso d 9sm 3d 15h. Tabla Funcionaminto d la planta d la condición d quía a la d Lluvia. Tabla Datos d la Política Óptima d Opración I para l caso dl funcionaminto d la planta d la condición d quía a la condición d Lluvia. Tabla Datos d la Política Óptima d Opración II para l caso dl funcionaminto d la planta n la condición d Tormnta. Tabla Datos d la Política Óptima d Opración III para l caso dl funcionaminto d la planta n la condición d quía. Tabla Datos d la Política Óptima d Opración IV para l caso dl funcionaminto d la planta n la condición Normal d opración. Tabla Datos d la Política Óptima d Opración V para l caso dl funcionaminto d la planta n la condición d Lluvia. Tabla Dsarrollo dl término ( ) 2 α para cada una d las políticas i+ 1 u( t) uds( t) óptimas d opración dfinidas para la planta imulation Bnchmark. Tabla C.1. Rsumn d las condicions óptimas para las cinco políticas d opración d la planta dl imulation Bnchmark (1). Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

25 L ii s t a d F ii g u r a s Fig Etapas dl trataminto d aguas rsiduals. Fig Procso d Lodos Activados típico [Grady, C.P.L., Jr., t al., 1999]. Fig Un tipo d procso d Rmoción Biológica d Nutrints [Grady, C.P.L., Jr., t al., 1999]. Fig Principals raccions n la rmoción dl carbono orgánico [Olsson, G., t al., 2001]. Fig Principals raccions n la rmoción dl nitrógno. Basado n Olsson, G., t al. (2001). Fig Mcanismos primarios n clarificadors [Olsson, G., t al., 2001]. Fig Arrglos d quipos para la rmoción biológica d nitrógno: (a) Pranóxico, (b) Postanóxico, (c) Nitrificación-dsnitrificación simultána y (d) Nitrificación-dsnitrificación biológica (Dos lodos) [Mtcalf, t al., 2003]. Fig Procso d rmoción biológica d nitrógno tipo (a) Ludzack-Ettingr, (b) Ludzack-Ettingr Modificado (MLE) y (c) Ludzack-Ettingr Modificado Mjorado (MLE) [Mtcalf, t al., 2003; Copithorn, R., t al. 2005]. Fig Corrlación d las tapas d un procso d simulación. Basada n Fishwick, 1995 [García-Arrazola, R., 2003]. Fig Diagrama d las tapas d un procso d simulación. Basado n hannon, R.E. (1988) y Fishwick, P.A. (1995) [García-Arrazola, R., 2003]. Fig Modlo gnral d un procso o sistma [Montgomry, D.C., 2001]. Fig Estratgia típica xprimntal para un disño robusto utilizando l Método Taguchi con dos nivls [Lim, J.M., t al., 1996]. Fig Colocación n lmntos finitos [Lang, Y.D., t al., 2007]. Fig Rprsntación squmática dl imulation Bnchmark.

26 xxvi Lista d Figuras Fig Concntración mdia d nitrógno disulto n aguas suprficials dtctada por rgions. Gráfica rportada por GIWA (2004/5). Fig Concntración mdia d dmanda bioquímica d oxígno n aguas suprficials dtctada por rgions. Gráfica rportada por GIWA (2004/5). Fig Balanc d sólidos a través d las capas dl sdimntador [Takáçs, I., t al., 1991]. Fig Función no difrnciabl: ( 0, Z ) max [Balakrishna,. t al., 1992]. Fig Fig Prfils d concntracions d las capas dl sdimntador a través d una intrfas para absorción. Basado n García-Arrazola, R. (2003). Absorción d oxígno d una burbuja d air al mdio acuoso. Basado n Lindbrg, C.F. (1997); Bird, R.B., t al. (2002); Dunn, I.J., t al. (2003) y Mtcalf, t al. (2003). Fig Modlos d transfrncia d oxígno ( K L a) como una función d la vlocidad d gasto dl air ( Q air ): (a) Potncia y (b) Exponncial. Fig Modlos d transfrncia d oxígno ( K L a) como una función d la vlocidad d gasto dl air ( Q air ). Fig Difrncia ntr l Modlo Linal y l Modlo Linal Ajustado para l modlo d transfrncia d oxígno ( K L a) como una función d la vlocidad d gasto dl air ( Q air ). Fig imulación dinámica d las concntracions particuladas ( y ) ND Fig Fig Fig prsnts n l bioractor dl imulation Bnchmark para la condición Normal d opración. imulación dinámica d las concntracions solubls prsnts n la planta dl imulation Bnchmark para la condición Normal d opración. imulación dinámica a difrnts timpos d las concntracions d sólidos suspndidos n la capa d alimntación y capas postriors dl sdimntador scundario d la planta dl imulation Bnchmark para la condición Normal d opración a 500 horas. imulación dinámica d las concntracions d la calidad dl agua tratada d la planta dl imulation Bnchmark para la condición Normal d op- Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

27 Lista d Figuras xxvii ración. Fig Modlo gnral dl DoE para la planta dl imulation Bnchmark. Fig Comportaminto d Ntot para diz timpos d procso (5h a 1599h) y cuatro timpos d procso (15h a 135h). Fig Diagramas compltos d intraccions: (a) Ntot y (b) BOD. Fig Ntot. Comparación d los difrnts DoE s con las condicions d opración d la planta dl imulation Bnchmark (quía, Normal, Tormnta Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig y Lluvia). nh. Comparación d los difrnts DoE s con las condicions d opración d la planta dl imulation Bnchmark (quía, Normal, Tormnta y Lluvia). T. Comparación d los difrnts DoE s con las condicions d opración d la planta dl imulation Bnchmark (quía, Normal, Tormnta y Lluvia). COD. Comparación d los difrnts DoE s con las condicions d opración d la planta dl imulation Bnchmark (quía, Normal, Tormnta y Lluvia). Dfinición dl spacio d solución d acurdo al método d discrtización d colocación ortogonal y al método d intgración d cuadratura d Radau. Estructura d solución y softwar mplado para la optimización dinámica simultána d la planta d trataminto d aguas rsiduals por dsnitrificación ( imulation Bnchmark ). Basado n Lang, Y.D., t al. (2007). Comparación d la simulación dinámica con la optimización dinámica simultána d la Política I: quía-lluvia. Comparación d la simulación dinámica con la optimización dinámica simultána d la Política II: Tormnta. Comparación d la simulación dinámica con la optimización dinámica simultána d la Política III: quía. Comparación d la simulación dinámica con la optimización dinámica simultána d la Política IV: Normal. Comparación d la simulación dinámica con la optimización dinámica simultána d la Política V: Lluvia. Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

28 xxviii Lista d Figuras Fig Principals parámtros d la calidad dl agua. Prubas jcutadas para la obtnción d la condición Normal d opración óptima. Q in Fig Variabl manipulabl. Prubas jcutadas para la obtnción d la condición Normal d opración óptima. Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

29 I n t r o d u c c ii ó n A mdiados dl siglo y principios dl siglo I, divrsas organizacions como la Organización d las Nacions Unidas y la Comunidad Económica Europa, s han nfocado n controlar y rgular l impacto qu l hombr tin sobr l mdio ambint. Una d las mayors procupacions s la dscarga d aguas rsiduals n los curpos hídricos por lo qu las lgislacions s han tornado más strictas. Para cumplir con la más xignt calidad dl flunt, s han dsarrollado nuvos sistmas d trataminto d aguas rsiduals y los ya conocidos s han mjorado. Por jmplo, los sistmas d lodos activados (AP) con rmoción d carbono s han xtndido a la rmoción d nitrógno por nitrificación y dsnitrificación, y a la rmoción d xcso d fósforo biológico. Dbido a qu n stos sistmas s rquir producir un agua clarificada d calidad spcífica y un lodo biológico bin sdimntado, tanto l arrglo d quipos como la opración d los mismos han incrmntado n compljidad, tratando d ncontrar una mayor ficincia y una mjor conomía. El procso Modificado d Ludzack-Ettingr (MLE) s aquél n l qu, admás d utilizar lodos activados n un procso para oxidar la matria orgánica, s involucra la nitrificación y la dsnitrificación para rmovr l nitrógno prsnt n una planta d trataminto biológico. Est arrglo ha sido objto d st studio; por lo qu a través d los modlos AM1 y Takáçs así como dl Modlo Linal, qu rprsnta la transfrncia d masa dl oxígno al agua, s invstigaron los fctos d las variabls n l sistma a través dl uso d la técnica stadística d Disño d Exprimntos (DoE). Las variabls studiadas furon ocho, cuatro no controlabls y cuatro controlabls. Las no controlabls furon: flujo d alimntación dl agua rsidual ( ), sustrato sólido lntamnt biodgradabl ( ), nitrógno orgánico biodgradabl solubl ( ) y nitró- Q in ND

30 xxx Introducción gno amoniacal solubl ( NH ) n la alimntación; y las controlabls: flujo xtrno d la xt int Qsl air _ 3 funt d carbono ( Q ), flujo d rcirculación intrna dl bioractor ( Q ), flujo d lodos ( ) y flujo dl air ( Q R R ) dl trcr y último ractor aróbico. Los disños aplicados para l DoE furon l Método Taguchi y l Método Factorial Parcial Fraccional, para dfinir cinco políticas óptimas d opración bajo condicions d quía, Normal, Lluvia y Tormnta. Postriormnt, s utilizaron técnicas d optimización dinámica simultána para cada una d las políticas plantadas, con l objtivo d minimizar la contaminación d nitrógno ( Ntot, nh, TKN y NO ), sólidos suspndidos totals ( T ) y, dmanda química y bioquímica d oxígno ( COD y BOD, rspctivamnt) n l flunt para cumplir con l nivl d calidad d dscarga qu stablc la norma. Con bas n lo antrior, sta invstigación contribuy al análisis y valuación d procsos d trataminto biológico d dsnitrificación (tipo MLE) a través d técnicas robustas stadísticas, d simulación y d optimización qu no s habían aplicado n su conjunto. Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

31 1 C A P Í T U L O A n t c d n t s 1. TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUA REIDUALE. Las aguas rsiduals, también conocidas como aguas srvidas o ngras, son matrials drivados d rsiduos domésticos, comrcials o procsos industrials, los cuals por razons d salud pública y por considracions ambintals, no pudn dschars vrtiéndolas sin trataminto n las aguas continntals. u alto contnido n matria orgánica inorgánica, así como d patógnos como bactrias, virus y huvos d parásitos, ntr otros, dan orign a una sria contaminación d las aguas; por llo, la importancia d su trataminto y l procso para llvarlo a cabo. Trataminto d Aguas. El trataminto d las aguas rsiduals lo constituyn cinco tapas principals: (i) prtrataminto, dond s liminan objtos d gran tamaño y partículas flotants o suspndidas utilizando la lína convncional d dsbast, dsarnado y dsngrasado, o bin, incluyndo un dsarnador, un tanqu d igualación y un mdidor d caudal, para controlar la cantidad d agua qu ntra n la planta, (ii) trataminto primario o físico, l cual consist n sparar mcánicamnt las partículas n suspnsión no rtnidas n l prtrataminto, por mdio d filtración, sdimntación o flotación, (iii) trataminto scundario o biológico, n l qu los microorganismos dgradan la matria orgánica y qu, d acurdo al arrglo dl procso, pudn rmovr nutrints como nitrógno y fósforo, a través dl procso d lodos activados, airación u oxidación total, ó por trataminto anaróbico, (iv) trataminto trciario o trataminto avanzado n l qu s busca liminar los contaminants orgánicos inorgánicos disultos o coloidals (no rmovidos por

32 2 Trataminto Biológico d Aguas Rsiduals otros tratamintos) mdiant procsos como: adsorción por carbón activado, intrcambio iónico, o cloración, ntr otros y (v) trataminto d los lodos, n l qu los rstos sdimntados dl trataminto primario o los lodos provnints dl trataminto biológico son concntrados, stabilizados, scados y transformados n abonos orgánicos, o bin, son incinrados o llvados a un rllno sanitario como dschos sólidos. Con las tapas antriors y los procsos unitarios utilizados n cada una d llas, s busca un arrglo d quipos tal, qu l agua procsada sa lo más pura posibl ants d sr dscargada al mdio ambint para cumplir con las rglamntacions vignts d la rgión. En la Fig. 1.1 s ilustran dichas tapas. AGUA REIDUAL AGUA TRATADA PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO PRIMARIO TRATAMIENTO ECUNDARIO TRATAMIENTO TERCIARIO LODO 1 rios LODO 2 rios TRATAMIENTO DE LODO VERTIDO REGULADO Fig Etapas dl trataminto d aguas rsiduals. Las tapas qu s rquiran n l procso dpndrán d los contaminants, sus concntracions y las rgulacions d dscarga dl flunt [Janic K., W.C., t al., 1997]. Las agncias protctoras dl mdio ambint han impusto límits cada vz más strictos para las dscargas d flunts a curpos hídricos; por lo tanto, l mjoraminto dl procso d trataminto dl flunt industrial y doméstico s objto d studio n muchas invstigacions [Ericsson, B., 1994; Wang, Y.P., t al., 1994; Funamizu, N., t al., 1997; Con, F., t al., 1998; Chng, C.Y., t al.,1999; Tomita, R.K., t al., 2002; Carrra, J., t al., 2003; Ciudad, G., t al., 2005]. Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

33 Capítulo 1. Antcdnts 3 Trataminto Biológico. Es l trataminto scundario d las aguas rsiduals y su objtivo principal s transformar la matria orgánica disulta mdiant la acción d microorganismos n compustos sncillos, tals como: dióxido d carbono (CO 2 (g) ), agua y mtano (CH 4 (g) ); st último sólo n l caso d procsos anaróbicos (sin prsncia d oxígno), y n sólidos sdimntabls (lodos biológicos o nuva biomasa) qu pudan rtirars dl procso. La mayoría d los tratamintos biológicos disminuyn la dmanda bioquímica d oxígno dl matrial carbonáco (Carbonacous Biochmical Oxygn Dmand, CBOD); pro solamnt s pud liminar l nitrógno y l fósforo n xcso, si l procso s disña para llo. Existn difrnts tipos d sistmas d trataminto biológico [Mtcalf, t al., 2003]: (i) d biomasa suspndida, (ii) d biomasa fija, (iii) sistma combinado y (iv) lagunas. El primro s caractriza por mantnr a los microorganismos rsponsabls d la convrsión d la matria orgánica n suspnsión dntro dl mdio líquido y s l d intrés n st trabajo. Admás, stos sistmas pudn sr aróbicos (n prsncia d oxígno) o anaróbicos. El procso típico aróbico s l procso d lodos activados. Procso d Lodos activados (Activatd ludg Procss, AP). Es l procso biológico más ampliamnt utilizado para la dpuración d aguas ngras [Grnay, K.V., t al., 2004; Nuhoglua, A., t al., 2005]. Consist n un trataminto arobio dl agua rsidual mdiant un consorcio n suspnsión d microorganismos o biomasa, conocido como lodo activado dond, tras l aport d oxígno por mdios mcánicos (mzclado turbulnto) o por difusión, s llvan a cabo una sri d procsos d biodgradación (oxidación d la matria orgánica disulta n l agua) y biosíntsis (producción d nuva biomasa clular) n un tanqu d airación o n un ractor arobio. Postriormnt, l producto pasa a un sdimntador o dcantador dond s spara l agua tratada d la biomasa. u finalidad s la producción d un flunt clarificado bajo n BOD, sólidos suspndidos () y turbidad, dcantado dl lodo activado qu s sdimnta y compacta, para Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

34 4 Trataminto Biológico d Aguas Rsiduals sr parcialmnt rcirculado al tanqu d airación y cuyo xcso s purgado o xtraído para su postrior trataminto y disposición. Un squma típico d un sistma d lodos activados s l qu s ilustra n la Fig. 1.2 dond s mustran los cuatro factors qu distingun un AP: (i) bioractor aróbico dond s ncuntran prsnts los microorganismos qu dgradan la matria orgánica, (ii) sdimntador d dond s obtin un flunt bajo n sólidos suspndidos dbido a la sdimntación d los lodos activados, (iii) rcirculación d lodos activados (Rturn Activatd ludg, RA) y (iv) purga d lodos activados (Wast Activatd ludg, WA). Fig Procso d Lodos Activados típico [Grady, C.P.L., Jr., t al., 1999]. La ficincia dl procso d lodos activados dpnd tanto dl sustrato rmovido n l tanqu d airación como d la capacidad d la matria particulada o biomasa para flocular y dcantar n l sdimntador scundario [Con, F., t al., 1998]. La clarificación, l spsaminto y l almacnaminto dl lodo son funcions básicas dl sdimntador. i alguna d stas fallan n l AP, l dsmpño d la planta s dtriora y pud no cumplir con las spcificacions dl flunt; por llo, tanto l bioractor como l sdimntador son quipos críticos n l sistma d trataminto [Takáçs, I., t al., 1991; Cakici, A., t al., 1991; Nuhoglua, A., t al., 2005]. Exist una gran varidad d arrglos para los sistmas con lodos activados; ntr llos s ncuntran: CA (Convntional Activatd ludg), FA (tp-fd Activatd Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

35 Capítulo 1. Antcdnts 5 ludg), CA (Contact tabilization Activatd ludg), CMA (Compltly Mixd Activatd ludg) y A (lctor Activatd ludg), ntr otros. A partir d los 1960 s stos sistmas sufriron modificacions dbido al incrmnto d las dmandas n la calidad dl agua n las dscargas; por llo, l intrés s nfocó no sólo n la rmoción orgánica d carbono, sino también n la rmoción d nutrints como nitrógno (N) y fósforo (P) y l d sus distintas formas como N-amoniacal, N- nitritos, N-nitratos y P-fosfatos qu son productos d la misma dgradación y trataminto biológico d la matria orgánica contnida n las aguas rsiduals [Zhao, H., t al., 1994; Grnay, K.V., t al., 2004; Hal, C., t al., 2005; Pala, A., t al., 2006]. A stos procsos s ls conoc como rmoción biológica d nutrints. Procsos d Rmoción Biológica d Nutrints (Biological Nutrint Rmoval, BNR). Grady, C.P.L., Jr., t al. (1999) clasifica los sistmas d rmoción d nutrints d acurdo al nutrint qu s ds rmovr n: (i) procsos d rmoción biológica d nitrógno, (ii) procsos d rmoción biológica d fósforo y (iii) sistmas qu rmuvn ambos (nitrógno y fósforo). Con bas n lo ants mncionado, un procso BNR s una modificación dl procso d lodos activados n l qu s incorporan zonas anaróbicas (ANA), anóxicas (AN), y/o aróbicas (AER) n l bioractor para promovr la rmoción d matrial carbonáco y/o nitrógno y/o fósforo. Asimismo, s pud adicionar una rcirculación d licor mzclado (MLR) d la zona aróbica a la anóxica, como s ilustra n la Fig Fig Un tipo d procso d Rmoción Biológica d Nutrints [Grady, C.P.L., Jr., t al., 1999]. Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

36 6 Trataminto Biológico d Aguas Rsiduals Cab sñalar qu la distinción d las zonas n l bioractor s para idntificar las difrnts altrnativas n los sistmas BNR. La zona aróbica s ncsaria n todo sistma BNR para la rmoción dl matrial carbonáco, mintras qu la zona anaróbica s ncsaria para compltar la rmoción d fósforo y la anóxica para la rmoción dl nitrógno [Grady, C.P.L., Jr., t al., 1999]. Existn principalmnt trs difrnts mcanismos d intrés n st tipo d procsos, a sabr: (i) las raccions biológicas d los nutrints combinadas con las raccions biológicas d dgradación dl matrial carbonáco, (ii) l crciminto d la biomasa y (iii) la sdimntación d partículas. (i) Raccions Biológicas d los Nutrints. Las raccions biológicas involucradas n la rmoción d nutrints dl agua rsidual s clasifican n bas a la rmoción dl carbono orgánico, dl nitrógno y dl fósforo; d las cuals, las dos primros son las importants n st studio, por lo qu a continuación s dscribn. La rmoción dl carbono orgánico solubl ocurr primordialmnt mdiant l mtabolismo aróbico y anóxico d los microorganismos htrótrofos. El carbono orgánico, obtnido por hidrólisis dl carbono orgánico insolubl, s convirt ya sa n biomasa adicional o bióxido d carbono solubl y gasoso, como s ilustra n la Fig Fig Principals raccions n la rmoción dl carbono orgánico [Olsson, G., t al., 2001]. Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

37 Capítulo 1. Antcdnts 7 La rmoción d nitrógno s muy important dbido a qu st lmnto químico xist n muy divrsas formas por su gran númro d stados d oxidación y a qu pud sr asimilado biológicamnt por los microorganismos. Admás, pud ncontrars n las aguas rsiduals n sus formas orgánicas, amoniacals y n nitritos ó nitratos, los cuals rquirn trataminto para su rmoción. Dichos compustos no son dsabls n las dscargas por divrsas razons: l amoniaco s tóxico para organismos acuáticos; l ion amonio s un compusto consumidor d oxígno por lo qu agota l oxígno disulto n las aguas rcptoras; n todas sus formas, l nitrógno pud sr utilizado como nutrint para plantas acuáticas y ocasionar utrofización; y como ion nitrito s un pligro n la salud d los infants [dlak, R., 1991; Lindbrg, C.F., 1997; amulsson, P., 2005]. Muchos paíss s sfurzan n rducir las misions d los compustos nitrognados (amoniaco, nitratos y nitritos) a los curpos hídricos y d funts d NO x a la atmósfra, como l amoniaco (NH 3 ). Dsd qu los sistmas d trataminto d aguas rsiduals domésticas s han saturado d amoniaco, s ha buscado la rmoción dl nitrógno d las aguas rsiduals scundarias industrials, rsultando a mnudo más rntabl la disposición d los rsiduos nitrognados qu un trataminto d aguas [chmidt, I., t al., 2003]. En l caso dl nitrógno d ntrada d un agua rsidual, ést s prsnta principalmnt n forma d compustos amoniacals aunqu también pud star n forma d nitrógno orgánico. Los N-orgánicos pasan a N-amoniacals para postriormnt sr rmovidos por dos procsos: nitrificación y dsnitrificación, los cuals s ilustran n la Fig La nitrificación ocurr por l mtabolismo aróbico d los autótrofos quins convirtn los compustos amoniacals a nitritos y nitratos y son muy snsibls a las condicions ambintals. En cuanto a la dsnitrificación, ésta s raliza por l mtabolismo anóxico d los htrótrofos qu convirtn los nitritos/nitratos a nitrógno gasoso, aunado al consumo d carbono. Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007

38 8 Trataminto Biológico d Aguas Rsiduals Fig Principals raccions n la rmoción dl nitrógno. Basado n Olsson, G., t al. (2001). Es important dstacar qu las raccions biológicas, al igual qu las químicas, pudn llgars a afctar por la carncia d los ractivos o por l xcso d los productos, ocasionando una vlocidad d racción mnor y, n conscuncia, afctando l crciminto d la biomasa. (ii) Crciminto d la Biomasa. En un sistma BNR s d suma importancia l mantniminto d un lodo activo con las corrctas proporcions d spcis d organismos para la rmoción dl nutrint y la buna formación d flóculos sdimntabls. Los difrnts organismos prsnts n l lodo activado dbn sr controlados mdiant l ajust d las condicions d opración dl sistma qu rquirn para su bun funcionaminto. Esto s raliza n bas al conociminto d las vlocidads d crciminto y d las condicions ambintals; su ignorancia favorcrá la sobrpoblación o dsbalanc dl consorcio d microorganismos, lo qu implicaría un dsbordaminto d lodos n l sdimntador u otros problmas, tals como: gnración d spuma y flotación dl lodo, tnindo como conscuncia la mala calidad dl flunt. (iii) dimntación. Est procso s raliza para rtirar la matria sólida, orgánica o no, d las aguas rsiduals. En l procso d lodos activados s ncsario sparar l agua rsidual tratada d la masa dl lodo biológico, para finalmnt producir un flunt claro. Esta sparación sólido-liquido s lograda por sdimntación por gravdad n Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007 Tsis d M. n C. Ingniría Química

39 Capítulo 1. Antcdnts 9 tanqus d sdimntación scundaria (condary ttling Tanks, T) [Ekama, G.A., t al., 1997]. El agua pasa a través d un dispositivo d sdimntación llamado sdimntador scundario, n l qu s distingun dos mcanismos primarios: (i) clarificación, dond las partículas pquñas o d muy baja dnsidad stán prsnts n l flunt y cuya concntración s mucho más baja qu n l lcho dl lodo, y (ii) spsaminto, qu involucra concntracions altas n l lcho dl lodo y qu implican, vidntmnt, mayor prsncia d sólidos. Lo antrior s ilustra n la Fig Fig Mcanismos primarios n clarificadors [Olsson, G., t al., 2001]. Est quipo, si no funciona adcuadamnt, pud no cumplir con los stándars d calidad dl flunt n dmanda química d oxígno (Chmical Oxygn Dmand, COD), dmanda bioquímica d oxígno jrcida n 5 días d incubación (Biochmical Oxygn Dmand, BOD 5 ), nitrógno total y fósforo total. Para cumplir stas concntracions dbn disminuirs los sólidos suspndidos. El procso d sdimntación pud rducir n un 80 a 99% los sólidos n suspnsión n l flunt. Esto stá dirctamnt rlacionado con la vlocidad d sdimntación qu sólo sufrirá cambios importants, principalmnt d dos funts: las caractrísticas d los sólidos n la alimntación y la purga d lodos [Ekama, G.A., t al., 1997; Olsson, G., t al., 2001]. Tsis d M. n C. Ingniría Química Ribia García Arrazola / UIA-MCIQ / 2007