UNIVERSIDAD DEL NORTE

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL DISEÑO DE SISTEMAS DE FANGOS ACTIVADOS PARA LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES Manga, J., Ferrer, J. y Seco, A. Lima, 2001.

2 INTRODUCCIÓN

3 EUTROFIZACIÓN Problemas de eutrofización Interés por la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) de las aguas residuales urbanas. En diversos países: No sólo afecta la calidad del agua. Sino que modifica la calidad visual y estética de las playas Perdida de valor de este recurso. (Importancia económica elevada)

4 PROCESOS BIOLOGICOS Una opción para disminuir las concentraciones de fósforo y nitrógeno en las plantas de tratamiento de aguas residuales es la incorporación de un sistema de eliminación de nutrientes por medios biológicos. Hasta principio de la Decada 90 Eliminación biológica de Materia Orgánica y Nitrógeno. Eliminación de fósforo por medios fisico-químicos.

5 PROCESOS BIOLOGICOS La experiencia muestra que los procesos biológicos tienen las siguientes ventajas frente a la eliminación físico-química: No hay coste de reactivos Menor producción de fangos Fango con un porcentaje elevado de fósforo lo que favorece su utilización como fertilizante

6 PROCESOS BIOLOGICOS En este sentido El proceso de eliminación biológica de fósforo ha llegado a ser uno de los procesos más investigados en el tratamiento de aguas residuales.

7 PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO Nitrógeno orgánico (Proteínas, urea) Descomposición bacteriana e hidrólisis Nitrógeno amoniacal Asimilación Nitrógeno orgánico(células) Nitrógeno orgánico (Crecimiento neto) Nitrificación O 2 Nitrito (NO 2 - ) Lisis y autooxidación O 2 Desnitrificación Nitrato (NO - 3 ) Nitrógeno gaseoso (N 2 ) Carbono orgánico Transformaciones del nitrógeno en los procesos de tratamiento biológico

8 PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO Anaerobia PAO Concentración de fósforo en el agua residual Anaerobias Aerobias Materia org. fácilmente degradable Aerobia PAO Energía Fósforo Eliminación de fósforo Oxígeno CO 2 Energía Fósforo Descarga biológica de fósforo Absorción biológica de fósforo Esquema de eliminación biológica de fósforo por las bacterias PAO Concentración de fósforo durante el proceso de eliminación biológica

9 PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA CONJUNTA DE NITRÓGENO Y DE FÓSFORO (ANAEROBIA-ANOXICA-AEROBIA) Tiempo de retención celular Características del Agua Temperatura + PROCESOS BIOLOGICOS MODELACIÓN MATEMÁTICA DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS CON ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES Herramienta necesaria para DISEÑO-CONTROL-OPTIMIZACION

10 MODELO DE FANGOS ACTIVADOS No. 2 (ASM2) Componentes solubles particulados (9) (10) XS F S (mgdqo/l): Sustrato orgánico soluble particulado XS A I (mgdqo/l): Materia Acidos volátiles orgánica inerte particulada XS O2 PHA (mgdqo/l): Oxígeno Sustrato en orgánico disolución almacenado intracelularmente S I (mgdqo/l): Materia por las orgánica bacterias inerte acumuladoras soluble de polifosfatos S NH4 (mgn/l): Nitrógeno amoniacal XS NO3 PP (mgp/l): (mgn/l): Polifosfatos Nitrógeno almacenados oxidado (nitrato intracelularmente + nitrito) XS N2 H (mgdqo/l): (mgn/l): Nitrógeno Biomasa gaseoso heterótrofa XS PO4 AUT (mgp/l): (mgdqo/l): Fósforo Biomasa inorgánico autótrofa soluble (ortofosfato) XS ALK PAO (molehco (mgdqo/l): 3 /L): Biomasa alcalinidad acumuladora del agua residual de polifosfatos

11 PROCESOS BIOLÓGICOS Procesos de las bacterias heterótrofas no acumuladoras (X H ) (9) Hidrólisis aerobia, anóxica y anaerobia. Crecimiento aerobio y anoxico sobre S F y S A. Fermentación. Lisis.

12 PROCESOS BIOLÓGICOS Procesos de las bacterias acumuladoras de polifosfatos (X PAO ) (6) Almacenamiento de X PHA. Almacenamiento de X PP. Crecimiento aerobio. Lisis de X PAO. Ruptura de X PP. Ruptura de X PHA.

13 PROCESOS BIOLÓGICOS Procesos de las bacterias autótrofas (X A ) (2) Crecimiento de X A Lisis

14 PROCESOS BIOLÓGICOS Limitaciones: No contempla la desnitrificación por parte de las bacterias PAO No incluye el papel fundamental que juega el glicógeno en el metabolismo de las bacterias responsables de la eliminación de fósforo. En algunas situaciones (elevados TRC, baja relación P/C en el influente y una relación de TRC anaerobio/aerobio elevada) No realiza predicciones satisfactorias No incluye un segundo grupo de bacterias que, en fase anaerobia, compiten por el sustrato con las bacterias PAO. A este grupo se les conoce como bacterias acumuladoras de glicógeno (GAO).

15 PROCESOS BIOLÓGICOS Ampliación del ASM2 Desnitrificación de las X PAO Almacenamiento de X PP Crecimiento anóxico

16 ANTECEDENTES

17 ANTECEDENTES Trabajo experimental Proyecto de I+D financiado por la Entidad de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana y las empresas SEARSA y AQUAGEST S.A. Objetivos: Influencia de la edad del fango sobre la población de microorganismos. Modelación de los procesos observados según ASM2.

18 Planta piloto Esquema Influente Recirculación interna Recirculación nitratos Acético Efluente Elutriación Decantador 1º Decantador 2º Anaerobia Anóxica Aerobia Purga fangos 1º Recirculación fangos Purga fangos 2º Muestra integrada influente Sistema de refrigeración Muestra integrada efluente Q=960L/dia TRH = 1.6, 3.2 y 4.8 horas

19 Planta piloto Seguimiento analítico Resultados experimentales medios obtenidos del seguimiento exhaustivo del estado estacionario, para las edades del fango estudiadas Influente Efluente Edad del fango 16 días 14 días 12 días DQO total (mgo/l) DQO soluble (mgo/l) DBO 5 total (mgo/l) DBO 5 soluble (mgo/l) Fósforo soluble(mgp/l) Fósforo total (mgp/l) Nitrógeno total (mgn/l) Amonio (mgn/l) Nitrato (mgn/l) <0.2 <0.2 <0.2 Ac. Acético (mgo/l) DQO soluble (mgo/l) DBO 5 soluble (mgo/l) Fósforo soluble (mgp/l) Amonio (mgn/l) <1.5 <1.5 <1.5 Nitrato (mgn/l)

20 Planta piloto Seguimiento analítico Resultados experimentales medios obtenidos del seguimiento exhaustivo del estado estacionario, para las edades del fango estudiadas Reactor Anaerobio Reactor Anóxico Reactor Aerobio Edad del fango 16 días 14 días 12 días SST (mg/l) SSV (mg/l) DQO total (mgo/l) Fósforo soluble (mgo/l) Amonio (mgn/l) Nitrato (mgn/l) < SST (mg/l) SSV (mg/l) DQO total (mgo/l) Fósforo soluble (mgp/l) Amonio (mgn/l) Nitrato (mgn/l) < SST (mg/l) SSV (mg/l) DQO total (mgo/l) Fósforo soluble (mgp/l) Amonio (mgn/l) <1.5 <1.5 <1.5 Nitrato (mgn/l)

21 Calibración del modelo Parámetros obtenidos Parámetro TRC 16 días Unidades Bacterias heterótrofas no acumuladoras Y H 0.60 mgdqo/mgdqo µ H 3.54 día -1 b H 0.39 día -1 K s 20.4 mg DQO/L Bacterias autótrofas µ A 1.39 día -1 b A 0.15 día -1 K NH 0.25 mg N/L Bacterias acumuladoras de polifosfatos Y PAO 0.80 mgdqo/mgdqo µ PAO 2.73 día -1 b PAO, b PHA, b PP 0.15 día -1 K PHA 0.06 mgdqo/mgdqo q PP 3.67 día -1 K IPP 0.02 mgp/mgdqo Y PO mgp/mgdqo q PHA 4.70 día -1 K A 10.2 mgdqo/l K MAX mgp/mgdqo

22 Calibración del modelo Limitaciones encontradas Hipótesis: existencia de un tipo de bacteria ("bacterias G o GAO") En fase anaerobia almacenan ácidos volátiles en forma de PHA, obteniendo la energía del glicógeno almacenado En la fase aerobia metabolizan el PHA para su crecimiento y generación de nuevas reservas de glicógeno La consideración de bacterias G permite justificar los valores anómalos de K MAX, Y PO4 e Y PAO.

23 Modificación al Modelo ASM2 Desarrollo de un modelo general para la eliminación biológica de nutrientes en los sistemas de fangos activados, que incluye la competición entre las bacterias acumuladoras de polifosfatos (PAO) y las bacterias acumuladoras de glicógeno (GAO) Base el ASM2 + El papel del glicógeno en el metabolismo de las PAO El proceso de desnitrificación por parte de las PAO El efecto de la presencia de las bacterias GAO

24 Modificación al Modelo ASM2 Grupos de microorganismos incluidos en el modelo Organismos Procesos biológicos Condiciones Heterótrofas (no acumuladoras) Crecimiento aerobio Desnitrificación Fermentación Aerobia Anóxica Anaerobia PAO Liberación de fósforo Desnitrificación Crecimiento aerobio Anaerobia Anóxica Aerobia GAO Captura de ácidos grasos de cadena corta Desnitrificación (a validar) Crecimiento aerobio Anaerobia Anóxica Aerobia Autótrofas Nitrificación Aerobia

25 Modificación al Modelo ASM2 Componentes solubles (Igual que en el ASM2) Componentes particulados (Adicionales al ASM2) X GAO (mgdqo/l): Biomasa GAO X PHA,G (mgdqo/l): Polihidroxialcanoatos almacenados intracelularmente en las bacterias GAO X GLY (mgdqo/l): Glicógeno almacenado intracelularmente en las bacterias PAO X GLY,G (mgdqo/l): Glicógeno almacenado intracelularmente en las bacterias GAO

26 Metabolismo de las bacterias PAO ANAEROBIO ANOXICO AEROBIO PAO PAO Biomasa X GLY X GLY X PP PP ENERGIA ENERGIA ENERGIA X PHA X PHA S PO4 PO4 S N2 H 2 O S A S NO3 O2

27 Metabolismo de las bacterias GAO AEROBIO ANOXICO ANAEROBIO GAO GAO X GLY,G X GLY,G Biomasa ENERGIA X PHA,G ENERGIA X PHA,G S N2 H 2 O S O2 NO3 S A

28 DESASS

29 PROGRAMA DESASS Herramienta informática que facilita el diseño de los sistemas de fangos activados para la eliminación de N y P. Desarrollado por el Dpto. Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente Tiene implementado el ASM2. Flexibilidad en la incorporación de nuevos procesos (cualquier modelo biológico deseado).

30 PROGRAMA DESASS DESASS es un simulador de fangos activados diseñado y optimizado para: - La investigación en los procesos de fangos activados. - La evaluación de sistemas de fangos activados. - La operación de entrenamiento de personal. - Propósitos educativos.

31 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES Representación gráfica de la evolución de la solución numérica. Flexibilidad en la configuración de sistemas de fangos activados. Simulación en régimen transitorio (variaciones de carga). Rapidez en el cálculo numérico. Cálculo de régimen estacionario en 2 estaciones. Diseño de sistemas de aireación. Módulo de actualización de la base de datos.

32 CONFIGURACIÓN DE LA PLANTA

33 REPRESENTACIÓN GRÁFICA

34 MÓDULO DE MAQUINARIA

35 CALIBRACIÓN

36 METODOLOGÍA DE CALIBRACIÓN Mantiene el mismo procedimiento experimental que la utilizada para el ASM2, modificando el tratamiento matemático de la información obtenida en cada uno de los ensayos Calibración selectiva de los parámetros de elevada influencia mediante experimentos en discontinuo Experimentos en discontinuo: Aislar Procesos/Facilitar la det. de Parámetros.

37 METODOLOGÍA DE CALIBRACIÓN Dado que se espera que los parámetros de las bacterias no varíen significativamente para unas condiciones de ph y Temp.: Calibración 2 edades del fango Comprobó la capacidad de los parámetros para representar por simulación las 2 edades anteriores y una tercera

38 CALIBRACIÓN DE PARÁMETROS Resultados obtenidos Parámetro Valor Unidades T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) Bacterias PAO Y SA g DQO/g DQO Y PO g P/g DQO Y PHA g DQO/g P Y PHA,NO g DQO/g P Y PAO g DQO/g DQO Y PAO,NO g DQO/g DQO Y GLY 1 1 g DQO/g DQO Y GLY,NO 1 1 g DQO/g DQO q PHA g DQO/(g PAO. día) K A g DQO/m 3 K GLY g DQO/ g PAO q PP g PP/(g PAO. día) K PHA-P g PHA/g PAO K MAX g PP/g PAO

39 Parámetro Valor Unidades T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) Bacterias PAO K IPP g PP/g PAO K PHA g PHA/g PAO µ PAO día -1 η PAO * q GLY g DQO/(g PAO. día) K PHA-GLY g PHA/g PAO K MG g DQO/g PAO K IG g DQO/g PAO b PAO día -1 b PP día -1 b PHA día -1 b GLY día -1

40 Parámetro Valor Unidades T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) Bacterias GAO Y SA,G g DQO/g DQO Y GAO g DQO/g DQO Y GLY,G 1 1 g DQO/g DQO Y GLY,GNO 1 1 g DQO/g DQO q PHA,G g DQO/(g GAO. día) K A g DQO/m 3 K GLY,G g DQO/ g GAO µ GAO día -1 K PHA,G g PHA/g GAO η GAO * q GLY,G g DQO/(g GAO. día) K PHA,G-GLY g PHA/g GAO K MG,G g DQO/g GAO K IG,G g DQO/g GAO b GAO día -1 b PHA,G día -1 b GLY,G día -1

41 CALIBRACIÓN DE PARÁMETROS Discusión de los resultados El valor de Y PAO (0.58 gdqo/gdqo) de las bacterias acumuladoras de polifosfatos, es coherente con los resultados obtenidos en diferentes trabajos encontrados en la bibliografia. Estos valores son más consistentes con el metabolismo de estos organismos que el obtenido (0.80 gdqo/gdqo) en el proceso de calibración del modelo ASM2. Los valores de K MAX (0.28 y 0.27) están dentro del intervalo habitual de 0.26 a 0.34 para los cultivos puros. Consistentes con el metabolismo de estos organismos que el obtenido (0.136) en el proceso de calibración del modelo ASM2.

42 CALIBRACIÓN DE PARÁMETROS Discusión de los resultados El valor de la velocidad máxima de crecimiento de la biomasa PAO (µ PAO =0.84 día -1 ), es muy cercano al valor propuesto en el modelo ASM2 (µ PAO =1.0 día -1 ). Además, es ligeramente mayor que el valor de la velocidad máxima de crecimiento de la biomasa GAO (µ GAO =0.80 día -1 ). La velocidad máxima de almacenamiento de PHA obtenida para las bacterias PAO (q PHA =3.6 gdqo/(g PAO. día)) es mayor que la obtenida para las bacterias GAO (q PHA =2.6 gdqo/(g PAO. día)). Esto sugiere que en condiciones adecuadas en un proceso de eliminación biológica de nutrientes, las bacterias PAO siempre serán la población dominante.

43 SIMULACIÓN

44 SIMULACIÓN Simulación del funcionamiento de la planta piloto para tres edades del fango (16, 14 y 12 días) DESASS (Design and Simulation of Activated Sludge Systems) Valores medios del influente Configuración correspondiente a la planta piloto La media de los valores de los parámetros cinéticos y estequiométricos (14 y 16 días)

45 SIMULACIÓN Reactor anaerobio T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) T.R.C 12 (días) Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado SST(mg SST/L) SSV(mg SSV/L) DQO total (mg DQO/L) Fósforo soluble (mg P/L) Amonio (mg N/L) Nitrato (mg N/L) <

46 SIMULACIÓN Reactor anóxico T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) T.R.C 12 (días) Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado SST(mg SST/L) SSV(mg SSV/L) DQO total (mg DQO/L) Fósforo soluble (mg P/L) Amonio (mg N/L) Nitrato (mg N/L) <

47 SIMULACIÓN Reactor aerobio T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días) T.R.C 12 (días) Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado Valor Medido Valor Simulado SST(mg SST/L) SSV(mg SSV/L) DQO total (mg DQO/L) Fósforo soluble (mg P/L) Amonio (mg N/L) < < < Nitrato (mg N/L) DQO soluble (mg DQO/L)

48 SIMULACIÓN Para unas condiciones de temperatura y ph dadas, utilizando un único vector de parámetros cinéticos y estequiométricos, DESASS ha sido capaz de simular los valores experimentales en planta piloto (tres diferentes TRC, cada uno de ellos con tres diferentes características del agua residual influente). La excelente concordancia entre los valores simulados y los experimentales supone la validación de la herramienta informatica en sistemas NDEBPR. La eliminación de fósforo se logró en todos los tiempos de retención celular para las condiciones de operación y las concentraciones de ácido acético utilizadas en este trabajo experimental.

49 CONCLUSIONES

50 CONCLUSIONES DESASS representa satisfactoriamente el comportamiento metabólico de las poblaciones estudiadas en dichos sistemas. Esto conlleva un mejor entendimiento tanto de los mecanismos que se suceden en un sistema de fangos activados como de la dinámica de los procesos. DESASS permite la realización de un diseño completo y riguroso de un sistema de fangos activados, facilitando la generación de alternativas de diseño. La capacidad de aplicación del programa DESASS para la investigación de los procesos de fangos activados ha sido comprobada en este trabajo.

51 UNIVERSIDAD DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Lima, 2001.