MODELO MATEMÁTICO PARA EL DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS. APLICACIONES AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE TECNOLOGÍAS NO CONVENCIONALES

Transcripción

1 MODELO MATEMÁTICO PARA EL DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS. APLICACIONES AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE TECNOLOGÍAS NO CONVENCIONALES LUCIANA SÁNCHEZ FERNÁNDEZ Sevilla, Septiembre

2 CONTENIDO 1. Introducción 2. Antecedentes 3. Materiales y Método 4. Resultados y Discusión 5. Conclusiones 2

3 1. INTRODUCCIÓN la Directiva 91/271/CEE (Real Decreto Ley 11/1995) Directiva Marco del agua 2000/60/CE del Parlamento, transpuesta a la normativa española en la Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio Población Andaluza 3

4 1. INTRODUCCIÓN Para el tratamiento de las aguas residuales de pequeñas poblaciones se han desarrollado sistemas de tratamiento que presenten las siguientes características (EPA 1977): Procesos que demanden poco tiempo y conocimientos por parte de los operarios. Equipos que requieran un mínimo de mantenimiento Funcionamiento eficaz ante un amplio rango de caudal y carga Gasto pequeño de energía Instalaciones donde los posibles fallos de equipos y procesos causen el mínimo deterioro de calidad en el efluente Y por supuesto que se encuentre perfectamente integrados en el medio ambiente. 4

5 1. INTRODUCCIÓN OBJETO DEL ESTUDIO Disponer de una herramienta de fácil manejo para el diseño y mantenimiento de las depuradoras de tecnologías no convencionales: MODELO TAR DE DISEÑO Se basa en el estudio de la suma de organismos biológicos y mecanismos físicos que intervienen en una determinada configuración como una sola unidad. Se evalúa su comportamiento y se calculan los márgenes máximos, críticos, de tolerancia, y a partir de ahí los de operación, que dan lugar a la determinación de los parámetros de diseño El objetivo del trabajo es localizar la respuesta crítica de cada uno. El sistema se colapsa por exceso hidráulico, caudal crítico, o por exceso nutricional, carga orgánica critica. 5

6 2. ANTECEDENTES En el ámbito de las tecnologías no convencionales o intensivas, las más utilizadas por número de instalaciones en funcionamiento en Andalucía son: Sistema de lagunaje Filtro de turba Lechos bacterianos Contactores biológicos rotativos 6

7 2. ANTECEDENTES 2.1 SISTEMA DE LAGUNAJE Parámetro L. Anaerobia L. Facultativa L. Maduración Carga volumétrica (gr DBO 5 /m 3.d) Carga orgánica superficial - <100 <100 (kgdbo 5 /ha.d) Tiempo de retención (d) Profundidad (m) 3,5 1,5-2 0,8-1 7

8 2. ANTECEDENTES 2.2. FILTRO S DE TURBA Parámetro Valor Carga hidráulica (l/m 2.d) 600 Carga superficial orgánica (g DBO 5 /m 2.d) 300 Carga superficial de sólidos (g SS/m 2.d) 240 Relación superficie total/superficie activa 2:1 8

9 2. ANTECEDENTES 2.3. LECHOS BACTERIANOS Parámetro Valores recomendados Carga orgánica (kg DBO5/m3.d) 0,2-0,4 Carga hidráulica máxima (m3/m2.h) plástico) > 0,4 (relleno de piedras) > 0,8 (relleno de Altura de relleno (m) 2-3 m (relleno de piedras) plástico) 4-5 m (relleno de Recirculación (Qr/Q) 1-3 9

10 2. ANTECEDENTES 2.4. CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS Parámetro Valor Carga orgánica en primera etapa < 40 g DBO 5 /m 2.d Carga hidráulica:eliminación DBO 5 0,15 m 3 /m 2.d Superficie específica del CBR: 110 m 2 / m 3 Eliminación DBO 5 10

11 3. MATERIALES Y MÉTODO: Argumentos 1. Se han estudiado una gran variedad de procesos, donde, el peso fundamental de la eliminación de la materia orgánica del agua residual corresponde a organismos como, algas, bacterias, etc. 2. Se ha considerado el proceso como un organismo vivo en sí mismo. 3. Se llama biomasa transformadora de materia orgánica, Bio, a la suma de todas las especies vivas que actúan en el proceso. 4. El reactor biológico marca el entorno físico, químico y biológico, donde ocurren los procesos de transformación de materia orgánica. 5. Cuanto menos modificado más multivariable será el sistema. 6. Realizado los balances de masa : crecimientos de biomasa transformadora de materia orgánica, Bio, y la reducción consiguiente de la materia orgánica aportada. 7. Los rendimientos, se han relacionado con las unidades específicas de cada tipo de reactor. La elección de la unidad específica nos emplaza al diseño posterior, y condiciona las conclusiones obtenidas. 11

12 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.1. DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS.MÉTODO DE CÁLCULO TAR PRIMERA PREMISA: Un reactor biológico viable, debe mantener un mínimo de población de biomasa transformadora de materia orgánica, Bio, en su interior. Q ENTRAN: 0 SALEN: 5 Caudal entrada (Q) Cantidad biomasa transformadora que sale del Sistema Clase de Sistema 2Q 10 Sistema viable 10Q 50 Sistema viable 15Q 75 Sistema viable 16Q 80 Punto crítico 100 nacimientos 20 muertes 80 Salida 12

13 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.1. DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS.MÉTODO DE CÁLCULO TAR PRIMERA PREMISA: % DEPURACIÓN PUNTO CRÍTICO Q 4 Q 8 Q 12 Q Qc Q 13

14 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.1. DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS.MÉTODO DE CÁLCULO TAR SEGUNDA PREMISA: El rendimiento de un reactor depende del grado de contacto de la biomasa existente con la materia orgánica del agua residual. 1. Agitación. 2. Aumento del recorrido de la alimentación. 3. Recirculación. 4. Mejorar la disponibilidad de la biomasa. Laguna Anaerobia Digestor anaerobio agitado 14

15 3. MATERIALES Y MÉTODO Laguna Anaerobia Digestor anaerobio agitado CAUDAL Caudal Alimentación admitida mayor menor Caudal Crítico mayor menor Caudal Operación mayor Menor TIEMPO RETENCIÓN HIDRÁULICO TRH crítico menor mayor TRH operación menor Mayor TIEMPO DE RETENCIÓN SÓLIDOS TRS Mucho mayor Mucho menor SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN VOLÁTILES SSV Efluente Mucho menor Mucho mayor DISEÑO DEL VOLUMEN DEL REACTOR Volumen del reactor Menor Mayor RENDIMIENTO ELIMINACIÓN MATERIA ORGÁNICA % Depuración Menor Mayor 15

16 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS BALANCE PRIMERO. MATERIA ORGÁNICA CONSUMIDA La materia orgánica que entra en el reactor, es igual a la que sale del mismo más la que se consume por la biomasa. Q = caudal de entrada. DBO E = DBO 5 entrada Q DBO E = Q DBO s + RXV DBO S = DBO 5 salida R = DBO consumida por unidad de tiempo : Δ DBO / Δ t X = concentración de biomasa en el reactor. V = volumen de reactor. 16

17 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS Q = caudal de entrada. DBO E = DBO 5 entrada Q DBO E = Q DBO s + RXV DBO S = DBO 5 salida R = DBO consumida por unidad de tiempo : Δ DBO / Δ t X = concentración de biomasa en el reactor. V = volumen de reactor. Si se relaciona el balance de materia orgánica consumida con el tiempo de retención hidráulico. Q DBO E = Q DBO S + RXV Q (DBO E DBO S ) = RXV DBO E DBO S = DBO consumido en el proceso Q DBO consumido = RXV Se puede calcular el coeficiente de concentración de biomasa del reactor (R). R = DBO consumido TRH X 17

18 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS BALANCE SEGUNDO. BIOMASA GENERADA La materia orgánica de entrada es igual a la que sale, más la que se transforma en biomasa. Q = caudal de entrada. DBO E = DBO 5 entrada DBO S = DBO 5 salida X = concentración de biomasa en el reactor. Y = coeficiente de transformación de materia orgánica en biomasa = Kg Biomasa / Kg DBO.. R= coeficiente de sustrato (materia orgánica) consumido por unidad de biomasa en la unidad de tiempo Δ DBO / Δ t TIEMPO RESIDENCIA DE LA BIOMASA 18

19 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS BALANCE SEGUNDO. BIOMASA GENERADA La materia orgánica de entrada es igual a la que sale, más la que se transforma en biomasa. Q = caudal de entrada. DBO E = DBO 5 entrada DBO S = DBO 5 salida X = concentración de biomasa en el reactor. Y = coeficiente de transformación de materia orgánica en biomasa = Kg Biomasa / Kg DBO.. Q( DBOENTRADA DBOSALIDA ) = QDBOCONSUMIDA = Q X Y Y = Q X QxDBO CONSUMIDA X = YDBO CONSUMIDA Sustituyendo X en el primer balance: : 1 DBO R = THR X CONSUMIDA = 1 THR DBO Y DBO CONSUMIDA CONSUMIDA 1 TRH Y Ahora lo relacionamos con la concentración de biomasa en el reactor en función del tiempo = Y R = 1 TRH 19

20 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS BALANCE SEGUNDO. BIOMASA GENERADA El incremento de la concentración de biomasa en la unidad de tiempo es el CRECIMIENTO de la biomasa transformadora de materia orgánica, µ, y es inverso al tiempo de retención hidráulico del sistema. µ = 1 TRH Crecimiento máximo = cantidad de biomasa que se va en el efluente de salida más la cantidad de biomasa que muere. Kd es el coeficiente de muerte endógena 20

21 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.2. BALANCE DE MASAS DE LOS REACTORES BIOLÓGICOS µ MAXIMO = CRECIMIENTO BIOMASA MUERTE BIOMASA µ MAXIMO = dx dt = dx K dt k d X K = Constante del crecimiento del proceso. dx dt X = dx K dt X K d X dx dt = BIOMASA BIOMASA TOTAL CRECIMIENTO = TIEMPO DE RESIDENCIA DE BIOMASA El tiempo de transformación y el crecimiento de biomasa, permiten el cálculo de diseño de la biomasa en exceso, que según los casos, debe ser retirada del proceso. 21

22 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.3. RELACIÓN DEL MODELO DE COMPORTAMIENTO TAR CON OTROS MODELOS Modelo cinético de Monod µ max A µ B K m Materia orgánica µ = K C µ = µ max C Km + C K m = concentración de sustrato para µ = µ max / 2 µ max = crecimiento máximo. 22

23 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.4. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE µ MAX : % RENDIMIENTO PUNTO CRÍTICO DBO E DBO DBO E S 100 ZONA 1 ZONA 2 Q CRÍTICO DBOE DBOS 100 DBOE = % DEPURACIÓN. 23

24 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.5. MÁXIMA CARGA CONSUMIDA EN EL REACTOR BIOLÓGICO (Kg DBO CON / Kg DBO E ) % Kg DBO E Kg DBO CONS. Productividad Kg DBO consu mida % % % % % Kg DBO entrada % % % % % PUNTO CRÍTICO % % 24

25 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.5. MÁXIMA CARGA CONSUMIDA EN EL REACTOR BIOLÓGICO SATURACIÓN POR CAUDAL % Depuración Q CRITICO CAUDAL SATURACIÓN POR ALIMENTACIÓN KG DBO CONSUMIDO Q CRITICO 1 Q CRITICO 2 Q CRITICO 3 KG DBO Q critico KG = DBO CRÍTICOS ENTRADA 25

26 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.6 PARÁMETROS DE OPERACIÓN DEL MODELO TAR: 1. VOLUMEN: Se considera que el volumen del reactor calculado, es siempre VOLUMEN ÚTIL, dependiendo de las condiciones del proceso deberá sobredimensionarse convenientemente. 2. CAUDAL, CAUDAL CRÍTICO Y CAUDAL DE OPERACIÓN O DE DISEÑO: los datos obtenidos de cada uno de los sistemas definirán una curva de comportamiento, en ella se podrá calcular el caudal crítico, Q c, BIOMASA FIJA BIOMASA EN SUSPENSIÓN INERCIA 1 > INERCIA 2 Qc Qc 26

27 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.7. CÁLCULO EXPERIMENTAL DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES DE AGUAS RESIDUALES EVALUADOS PROCESO DE CÁLCULO DE PARÁMETROS DE DISEÑO: % RENDIMIENTO PUNTO CRÍTICO DBO E DBO DBO E S 100 ZONA 1 ZONA 2 Q CRÍTICO Q / UNIDAD DE TRATAMIENTO CONCENTRACIÓN CRÍTICA KG MATERIA ORGÁNICA CONSUMIDA/ UNIDAD DE TRATAMIENTO ALIMENTACIÓN KG BDOENTRADA/UNIDAD DE TRATAMIENTO 27

28 3. MATERIALES Y MÉTODO 3.7. CÁLCULO EXPERIMENTAL DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES DE AGUAS RESIDUALES EVALUADOS CÁLCULO DEL VOLUMEN O CANTIDAD DEL REACTOR DE ACUERDO A LA VARIABLE CRÍTICA, CAUDAL, O ALIMENTACIÓN 1.CAUDAL CRÍTICO. Cantidad de Tratamiento = Siendo la unidad de tratamiento el volumen, superficie iluminada, etc. Caudal operación, calculado experimentalmente. Tiempo de retención hidráulico = 2. MATERIA ORGÁNICA CRÍTICA DIARIA. CANTIDAD DE TRATAMIENTO = (VOLUMEN, SUPERFICIE, ) 28

29 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN LAGUNAJE ANAEROBIO Q/m 3 29

30 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN LAGUNAJE FACULTATIVO % D e p u r a ci ó n 30

31 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.3. LECHOS DE TURBA Kg DBO 5 consumid a/m 2 Superficie Caudal a tratar necesaria = Foperación m 3 ( m ) 3 ( m 2 ) + % Rotación 31

32 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.4. LECHOS BACTERIANOS 32

33 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.5. BIODISCOS 33

34 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN CONCLUSIÓN PREVIA SATURACIÓN DE CARGA. SABIENDO EL VALOR DE DBO5 ENTRADA (KG/DÍA): Para un caudal diario de entrada tendremos: 0,8= coeficiente de seguridad. Ud= Unidad de tratamiento. Nº Ud= número de unidades de tratamiento. SATURACIÓN DE CAUDAL. CONOCIENDO Q DIARIO (M 3 /DIA): UNIDADES DE TRATAMIENTO LECHOS 2 3 SUPERFICIE ESPECÍFICA MATERIAL SOPORTE ( m / m ) 2 BACTERIANOS = ( m ) 3 VOLUMEN DE RELLENO ( m ) LECHOS DE TURBA SUPERFICIE DE TURBA (m 2 ) BIODISCOS Y CONTACTORES SUPERFICIE DE DISCO Y CONTACTOR (m 2 ) LAGUNAS SUPERFICIE DE LAGUNA (m 2 ) LAGUNAS ANAEROBIAS VOLUMEN DE LAGUNA (m 3 ) 34

35 5. CONCLUSIONES 1. El modelo recoge una gran variedad de situaciones que afectan a cada sistema estudiado, temperaturas, mantenimientos variados, aguas más o menos cargadas, problemas de operación, y recogen la respuesta de la planta, considera como un ser vivo, a las perturbaciones introducidas. Esto hace que el Modelo sea utilizable de forma casi universal. 2. Conocido el punto crítico, se puede determinar la carga máxima de operación del sistema para el diseño de cada EDAR. 3. El modelo define claramente las dos causas de colapso de los sistemas de tratamiento de aguas residuales urbanas: carga hidráulica y carga orgánica. 4. En el desarrollo del modelo aparece claramente definida la carga de materia orgánica o caudal depurado por unidad específica de tratamiento en cada sistema. 5. El modelo permite determinar las mejores soluciones técnicas para la depuración de aguas residuales de diferentes poblaciones atendiendo a sus características específicas. 6. El modelo marca los límites superiores de cargas, que no pueden ser sobrepasados en ningún caso. 35

36 5. CONCLUSIONES 7..- Los pasos siguientes del modelo, en base a los resultados obtenidos son: ü ü ü ü Verificar o modificar el modelo de diseño obtenido con el resto de los datos de las plantas de tratamiento de Tecnologías no convencionales de Andalucía. Extrapolar el modelo obtenido a plantas de tratamiento en entornos diferentes. Pudiéndose obtener un único modelo para cada tipo de tratamiento, o modelo específico por tratamiento y latitud. Desarrollar el modelo al resto de las tecnologías no convencionales, a las convencionales, y a diferentes sistemas naturales, o naturalizados. Desarrollo de una herramienta informática para el desarrollo del modelo en diferentes entornos, y que facilite la operatividad de las plantas de tratamiento de aguas residuales y sistemas a los que se aplique en un futuro. 36

37 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN 37