Javier Pareja Bernal Enginyeria Geològica Tesina

Modelación de procesos Modelación de procesos bioquímicos en aguas bioquímicos en aguas

superficiales mediante un superficiales mediante un código de transporte código de transporte

reactivoreactivo

Modelación de procesos Modelación de procesos bioquímicos en aguas bioquímicos en aguas

superficiales mediante un superficiales mediante un código de transporte código de transporte

reactivoreactivo

Javier Pareja Javier Pareja BernalBernal

Enginyeria Enginyeria GeològicaGeològica

TesinaTesina

ÍndiceÍndice1.1. MotivaciónMotivación

2.2. AntecedentesAntecedentes

3.3. ObjetivosObjetivos

4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico

5.5. AplicaciónAplicación

6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica

7.7. ConclusionesConclusiones

1.1. MotivaciónMotivación







Imágenes de contaminación residual en Imágenes de contaminación residual en aguas superficialesaguas superficiales

NHNH4 4 NONO22

NONO3 3 HPO HPO44

OO2 2

disueltodisuelto

++

++

M.O.M.O.

AntecedentesAntecedentes

• Metodología ‘ad hoc’ para la resolución de problemas bioquímicos para aguas superficiales.

• Saaltink et al. (2005) se utiliza una formulación formal y generalizada para la resolución de problemas para un medio poroso.

ObjetivosObjetivos

• Adaptar un modelo que utiliza una descripción matemática formal y generalizada para aguas superficiales.

• Cuantificar y entender los procesos bioquímicos que suceden.




4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Procesos químicos 3.1 Procesos químicos

3.2 Especies bioquímicas 3.2 Especies bioquímicas

3.3 Procesos metabólicos3.3 Procesos metabólicos

3.4 Coeficientes estequiométricos3.4 Coeficientes estequiométricos

3.5 Cinética metabólica3.5 Cinética metabólica




Procesos metabólicosProcesos metabólicosMicroorganismos Obtención energía

Procesos que realizan

Bacterias Heterótrofas (XH)

Quimoorganotrófico:

Materia orgánica disuelta (Ss)

Crecimiento por degradación de

materia orgánica, condiciones

aeróbicas y/o anaeróbicas.Respiración aeróbica y

anaeróbica.

Bacterias nitrificadoras 1er

estadio (XN1)

Quimolitotrófico:Amonio (NH4

+)

Crecimiento por oxidación del

Amonio a Nitrito.Respiración.

Microorganismos Obtención energíaProcesos que

realizan

Bacterias nitrificadoras 2o

estadio (XN2)

Quimolitotrófico:Nitrito (NO2

-)

Crecimiento por oxidación del

Nitrito a Nitrato.Respiración.

Algas y micrófitos (XALG)

Fotolitotrófico: Energía radiante

Crecimiento con Amonio y Nitrato.

Respiración.Muerte.

Organismos Consumidores

(XCON)

Quimoorganotrófico:

Otros organismos

Crecimiento por depredación de

otros organismos.Respiración.

Muerte.Destacar que se han modelado 24 procesos Destacar que se han modelado 24 procesos

cinéticoscinéticos

Procesos QuímicosProcesos Químicos• Reaireación:Reaireación:

– O2 (atm) : KH (25ºC) = 790.7 (atm kg/mol) PO2 = 0.2 (atm) [O2 sat] = 2.5·10-4 (mol/kg)

rO2(atm)= kO2(atm)· ΔO2

– CO2 (atm) : KH (25ºC) = 1536 (atm kg/mol) PCO2 = 3.25·10-4 (atm) [CO2 sat] = 2.1·10-7 (mol/kg)

rCO2(atm)= kCO2(atm)· ΔCO2

• Reacciones en Equilibrio Reacciones en Equilibrio

'CO2' + 'H2O' 'H+' + 'HCO3-' ; logKeq = -6.3447

'CO32-' + 'H+' 'HCO3

-' ; logKeq = 10.3288

'OH-' + 'H+' 'H2O' ; logKeq = 13.9951

'PO43-' + 'H+' 'HPO4

2-' ; logKeq = 12.3218

'H2PO4-' 'H+' + 'HPO4

2-' ; logKeq = -7.2054

'NH3' + 'H+' 'NH4+' ; logKeq = 18.0385

Procesos QuímicosProcesos Químicos

Especies bioquímicasEspecies bioquímicas

Ss: Materia orgánica disuelta. CαC,Ss/12 HαH,Ss OαO,Ss/16 NαN,Ss/14 PαP,Ss/31

Xs: Partículas de materia orgánica en suspensión. CαC,XS/12 HαH,XS OαO,XS/16 NαN,XS/14 PαP,XS/31

XH: Bacterias heterótrofas. CαC,XH/12 HαH,XH OαO,XH/16 NαN,XH /14 PαP,XH /31

XN1: Bacterias que oxidan el amonio a nitrito. CαC,XN1/12 HαH,XN1 OαO,XN1/16 NαN,XN1/14 PαP,XN1/31

Sustancias orgánicas disueltas:

XN2: Bacterias que oxidan el nitrito a nitrato.CαC,XN2/12 HαH,XN2 OαO,XN2/16 NαN,XN2/14 PαP,XN2/31

XALG: Algas que crecen con sustancias nitrogenadas. CαC,XALG/12 HαH,XALG OαO,XALG/16 NαN,XALG/14 PαP,XALG/31

XCON: Organismo depredadores de otro tipo de organismos incluyendo partículas de materia orgánica particulada.

CαC,XCON/12 HαH,XCON OαO,XCON/16 NαN,XCON/14 PαP,XCON /31

Especies bioquímicasEspecies bioquímicas

Se define Pm.sust.org.= 1(g/mol)

Coeficientes Coeficientes estequiométricosestequiométricos

Símbolo Descripción Unidad

YH,aer Rendimiento para el crecimiento aeróbico de heterotróficos gXH/gSs

YH,anox,NO3 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrato

gXH/gSs

YH,anox,NO2 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrito

gXH/gSs

fI,BAC Fracción en la respiración heterotróficas y autotróficas que se convierte en biomasa inerte

gXI/gXH

YN1 Rendimiento para el crecimiento del 1er estadio de los nitrificadores gXN1/gNH4-N

YN2 Rendimiento para el crecimiento del 2o estadio de los nitrificadores gXN2/gNO2-N

fI,ALG Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de las algas

gXI/g(Xs+XI)

Coeficientes de rendimiento:

Símbolo Descripción Unidad

YALG,death Rendimiento de la muerte de algas g(Xs+XI)/gXALG

YCON Rendimiento de consumición gXCON/gXALG

fe Fracción de biomasa incorporada que es excretada como pelets fecales

gXS/gXCON

fI,CON Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de los consumidores

gXI/g(Xs+XI)

YCON,death Rendimiento de la muerte de los consumidores g(Xs+XI)/gXCon

YHYD Rendimiento por hidrólisis gSs/gXs


Coeficientes de rendimiento (cont):

DATODATOSSSNH4= SXH·αN,XH/14 – SSs·αN,Ss/14 (molN/molXH) [BALANCE DE

N]SHPO4= SXH·αP,XH/31 – SSs·αP,Ss/31 (molP/molXH) [BALANCE DE P]

SHCO3= SSs·αC,Ss/12 – SXH·αC,XH/12 (molC/molXH) [BALANCE DE C]

SH= 4·SNH4 - SHCO3 + SHPO4 + SSs - SXH (molH/molXH) [BALANCE DE CARGA]SH2O=0.5·SH – SHCO3 – 1.5·SNH4 – 1.5·SHPO4 (molH2O/molXH) [BALANCE DE H]El oxigeno se ajusta,

SO2= SSsαO,Ss/32 + 0.75SNH4 - SXHαO,XH/32 - 0.25SH - SHCO3 - 1.25SHPO4

(molO2/molXH)

El cálculo de los coeficientes estequiométricos,

SXH = 1 (molXH) SSs=-1/YH,aer(molSs/molXH)

La formulación química de la reacción Aer.GrowthHET(NH4) es,Sss Ss +SNH4 NH4 + SH2OH2O +SHPO4HPO4 + SO2O2

SXHXH +SHCO3HCO3 + SHH


Constantes cinéticas de 1er orden ( s-1) y las Constantes de inhibición y media saturación (mol/l) del modelo de transporte reactivo,

kgro_h_aer kgro_con__alg

kgro_h_anox kgro_con__Xs

kresp_h_are kgro_con__Xh

kresp_h_anox kgro_con__Xn1

kgro_N1 kgro_con__Xn2

kresp_N1 kresp_con

kgro_N2 kdea_con

kresp_N2 khyd

kgro_alg kO2

kresp_alg kCO2

kdea_alg

KHPO4_alg KNO2_h_anox

KHPO4_h_aer KNO2_N2

KHPO4_h_anox KO2_alg

KHPO4_N1 KO2_con

KHPO4_N2 KO2_h_aer

KN_alg KO2_N1

KNH4_alg KO2_N2

KN_H_aer Ks_h_aer

KNH4_N1 Ks_h_anox

KNO3_h_anox

Cinética metabólicaCinética metabólica

Utilizando una reacción cinética del modelo se obtiene,

HaerhetHPOaerhetNaerhetN

aerhetN

aerhetOaerhetSaergrohetNOetaergrowthh X

HPOK

HPO

NOK

NO

NHK

K

OKO

SsK

Sskr ···

4···

4,,4

4

3,,

3

,,

,,

2,,2

2

,,)3(

K conc.

0.5

1

CK

C

K

0.5

1

conc.

CK

K



3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Procesos químicos 3.1 Procesos químicos

3.2 Especies bioquímicas 3.2 Especies bioquímicas

3.3 Procesos metabólicos3.3 Procesos metabólicos






Geometría y flujoGeometría y flujoPunto de vertido Punto de vertido de Agua residualde Agua residualP.K.vertido=1102,5m Qvertido= 0,3 m3/s

Q= 20 m3/sÁrea=100m2

Q= 20,3 m3/sÁrea=100m2

h= 2,5 m

Pendiente del río = 1º/ºº

L = 98000 (m)

Las especies orgánicas e inorgánicas

Fracciones másicas

Coeficientes de rendimiento

Constantes cinéticas

Parámetros del modelo Parámetros del modelo bioquímicobioquímico

Se adoptan los valores aportados por el artículo del RWQM de P. Reichert (2001)

Cálculo de los coeficientes Cálculo de los coeficientes estequiométricosestequiométricos

Condiciones inicial y de contornoCondiciones inicial y de contorno Especie Concentración inicial

río (mol/l)Concentración inicial

vertido (mol/l)

'HCO3' 3.2E-05 (CO2(atm)) 1.43E-03

'HPO4' 1.04E-07 2.08E-03

'H' 1.86E-07 6.32E-07

'NH4' 5.71E-07 3.67E-05

'NO3' 6.43E-06 1.94E-05

'O2' 2.6E-04 (O2(atm)) 1.00E-10

'NO2' 1.43E-07 4.35E-04

N2' 4.9E-04 (N2gas) 4.9E-04 (N2gas)

'SS' 4.75E-08 4.00E-01

'XH ' 1.00E-09 2.56E-02

'XN1' 1.00E-10 1.46E-04

'XN2' 1.00E-10 2.56E-05

'XALG' 1.12E-07 1.00E-10

'XS' 1.00E-10 2.78E-05

'XCON' 1.12E-07 1.00E-10

'XI' 1.00E-10 7.46E-05

Índice Índice DQO:DQO:

3.55·103.55·10-4-4 (mol/L) (mol/L)

11.37 11.37 (mg/L)(mg/L)

ResultadosResultados

Evolución del Oxigeno disuelto Evolución del Oxigeno disuelto

Procesos que controlan el Procesos que controlan el oxigeno disueltooxigeno disuelto

Evolución bacterias heterótrofasEvolución bacterias heterótrofas

Procesos de fuente/sumidero Procesos de fuente/sumidero de bacterias heterótrofasde bacterias heterótrofas

Evolución de la materia Evolución de la materia orgánicaorgánica

Procesos de fuente/sumidero Procesos de fuente/sumidero de materia orgánica disueltade materia orgánica disuelta

Evolución de nutrientesEvolución de nutrientes

Evolución de las bacterias Evolución de las bacterias nitrificadorasnitrificadoras



3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Especies bioquímicas 3.1 Especies bioquímicas

3.2 Procesos químicos3.2 Procesos químicos






Análisis de sensibilidad Análisis de sensibilidad paramétricaparamétrica

• Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes en la población que se genera el vertido.

• Análisis de un agua compuesta por diferente concentración de bacterias (XH, XN1 y XN2) y por tanto provoca una DQO diferente.

Sensibilidad resultados qSensibilidad resultados qvertidovertido

• Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes de población.

Población Media por habitante Caudal de agua residual

Flujo de agua residual

1 86400 100 (l/dia*hab) 0.1 (m3/s) 1 (Kg/m2·s)

2 250000 100 (l/dia*hab) 0.3 (m3/s) 3 (Kg/m2·s)

3 600000 100 (l/dia*hab) 0.7 (m3/s) 7 (Kg/m2·s)

4 925000 100 (l/dia*hab) 1.07 (m3/s) 10.7 (Kg/m2·s)

5 4000000 100 (l/dia*hab) 4.63 (m3/s) 46.3 (Kg/m2·s)

Evolución del oxigeno disueltoEvolución del oxigeno disuelto

0

1

2

3

0 20 40 60 80 100Dist (Km)

q=1 (Kg/m2·s) q=3 (Kg/m2·s)q=7(Kg/m2·s) q=10.7 (Kg/m2·s)q=46.3 (Kg/m2·s)

Conc. (10-4 molO2/L)

Evolución de la materia orgánicaEvolución de la materia orgánica

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 20 40 60 80 100Dist (Km)


Conc. (10-2 molSs/L)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0 20 40 60 80 100Dist (Km)


Conc. (10-2 molXH/L)

• Procesos de degradación de materia orgánica

• Condiciones anaeróbicas

Evolución de procesos de Evolución de procesos de desnitrificacióndesnitrificación

Sensibilidad por variación de Sensibilidad por variación de la cantidad de bacteriasla cantidad de bacterias

Especie Patrón Patrón·101 Patrón·10-1

XH 2.56E-02 2.56E-01 2.56E-03

XN1 1.46E-04 1.46E-03 1.46E-05

XN2 2.56E-05 2.56E-04 2.56E-06

PatrónPatrón·10

1

Patrón·10-

1

Índice DQO

3.55E-04 5.30E-04 3.38E-04 (mol/l)

11.37 16.97 10.81 (mg/l)

La recuperación de oxigeno,

en función de:

•Carga bacterial: Bacterias ΔO2

•Nitrificación de 1er estadio y de 2º estadio

Evolución del OEvolución del O22 disuelto, S disuelto, Sss y X y XHH

Evolución de nutrientes y Evolución de nutrientes y bacterias nitrificadorasbacterias nitrificadoras



3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Especies bioquímicas 3.1 Especies bioquímicas

3.2 Procesos químicos3.2 Procesos químicos






ConclusionesConclusiones• Descripción formal y generalizada:

– especies– matriz estequiométrica– leyes cinéticas

• Modelación la contaminación de un río, con un modelo de transporte reactivo multicomponente:– degradación aeróbica de la materia orgánica disuelta – clara bajada de la concentración de oxigeno – crecimiento de los microorganismos

• Destacar que:– secuencia de progresión de los metabolismos en la degradación de agua residual.– gran cantidad de parámetros (QH2O río, Qvertido H2O residual, la composición química

de las sustancias orgánicas y las concentraciones de las sustancias en el río y en el agua residual).

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