Introducción a BioWin
ASPECTOS QUE INDUCEN A LA UTILIZACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN
La mayor complejidad de los procesos necesarios para eliminar los nutrientes N y P (Limitaciones de los métodos convencionales)
Eliminación materia orgánica carbonosa Nitrificación
Desnitrificación biológica Desfosfatación biológica
-Eliminación otros compuestos -Reducción consumo energético y reactivos -Minimización de emisiones GHG
ASPECTOS QUE INDUCEN A LA UTILIZACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN
La progresiva ampliación del conocimiento de los procesos y su concreción en modelos matemáticos de simulación validados
La accesibilidad a estos modelos mediante las plataformas de simulación comerciales
MODELOS PLANT-WIDE
Influente anox 1 Dec secundario
Purga Fango
Efluente oxic 1 Bombeo Ri
Espesador
Digestor anaerobioBombeo a digestión Centrífuga
Fango deshidratado
Arqueta retorn FlotadorArqueta retornos 2
oxic 2
Tampón
Dec primarioDesarenador
Arenas
Influente decantado anox 1 Dec secundario
Purga Fango
Efluente oxic 1 Bombeo Ri oxic 2
Fango B
S E N C I L L O
C O M P L E J O
CONSIDERACIONES GENERALES
Los Modelos son simplificaciones de la realidad
Los datos de base son propensos a errores La calidad de los resultados obtenidos con un modelo bien estructurado está directamente ligada a la de los inputs aplicados
“La simulación es una herramienta muy útil ….. pero no sustituye a la experiencia
y el arte de la ingeniería”.
Características del agua residual
ASESORIA TÉCNICA Y CONTROL, S.A. 6
LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIA CARBONOSA
• La DQO proporciona una base consistente para la
descripción del proceso de fangos activados fundamentada en la utilización del sustrato orgánico
HETY
HETY-1
Biomasa
CO2 + H2O + energía
1 DQO
Aceptor e-
LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIACARBONOSA
• La DQO permite realizar balances de masa en el proceso:
• Masa de DQO influente=DQO del efluente +DQO del fango purgado+O2 consumido en la utilización de la materia orgánica
• DQO/SSV de la biomasa ≈ 1.48 mg DQO/mgSSV
• La DBO5 NO permite realizar balances de masa en el proceso:
• La DBO5 sólo mide la porción de e- eq del sustrato utilizada en la producción de energía y excluye la porción utilizada en la generación de biomasa
LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIA CARBONOSA
COMPONENTES DE LA DQO
DQO TOTAL INFLUENTE
Biodegradable No biodegradable
Rápidamente Biodegradable
Ss
Lentamente
Biodegradable Xs
Soluble
Si
Particulada
Xi
Compleja VFA Particulada
Xsp Coloidal
Xsc
COMPONENTES DE LA DQO
DQO TOTAL INFLUENTE
Biodegradable No biodegradable
Rápidamente Biodegradable
Ss
Lentamente
Biodegradable Xs
Soluble
Si
Particulada
Xi
Compleja VFA Particulada Xsp
Coloidal Xsc Eficiencia eliminación N
Eficiencia eliminación P Volumen tanque anóxico Variación espacial aeración
COMPONENTES DE LA DQO
DQO TOTAL INFLUENTE
Biodegradable No biodegradable
Rápidamente Biodegradable
Ss
Lentamente
Biodegradable Xs
Soluble
Si
Particulada
Xi
Compleja VFA Particulada Xsp
Coloidal Xsc
Eficiencia decantación primaria Eficiencia eliminación N Variación espacial aeración
COMPONENTES DE LA DQO
DQO TOTAL INFLUENTE
Biodegradable No biodegradable
Rápidamente Biodegradable
Ss
Lentamente
Biodegradable Xs
Soluble
Si
Particulada
Xi
Compleja VFA Particulada Xsp
Coloidal Xsc
Valor DQO efluente
COMPONENTES DE LA DQO
DQO TOTAL INFLUENTE
Biodegradable No biodegradable
Rápidamente Biodegradable
Ss
Lentamente
Biodegradable Xs
Soluble
Si
Particulada
Xi
Compleja VFA Particulada Xsp
Coloidal Xsc
Producción fango MLSS Tamaño Clarificador Eliminación SSV digestor
DQO RÁPIDAMENTE BIODEGRADABLE (Sbs/Ss)
TBSBS DQOfS ⋅=
)()( complejaSAVGSS BSCBSABS +=
BSACBSA SfS ⋅=
BSACBSC SfS ⋅−= )1(
DQO RB (Sbs) vs. DQO lentamente biodegradable (Xs):
- Respuesta OUR - Desnitrificación - Eliminación biológica del P
DQO SOLUBLE NO BIODEGRADABLE (Sus/Si)
TUSUS DQOfS ⋅= Comentarios:
- Pasa íntegramente al efluente Determina la concentración de DQO efluente (junto con los SS)
Supuesto : - El efluente no contiene DQO soluble
biodegradable residual - El proceso no genera DQO soluble no
biodegradable
Si ≈ DQOt ef-(SSef x MLVSS (%) x 1.48)
DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi)
TUPI DQOfX ⋅=
Comentarios: - Se acumula en el proceso - Se elimina vía purga (y efluente) - Incrementa la proporción de SSVLM al
aumentar la edad del fango (SRT)
DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Fraction Unbiodegradable Particulate
MLV
SS
SRT = 5 daysSRT = 10 daysSRT = 15 daysSRT = 20 days
Efecto del SRT y fup sobre SSVLM
Tiempo de retención hidráulico 6 horas DQO Total Influente = 500 mg/L
DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi)
El valor elevado de Xi de las columnas (2 ) y (3) es la causa del reducido % de eliminación de MV debido a su condición de inerte Un incremento del volumen de digestión o del tiempo de retención puede tener un efecto nulo o limitado sobre el % de eliminación de
MV
Parámetro Valor Típico
(1)
Valor específico
(2)
Valor específico
(3) Rápidamente biodegradable Ss 0.16 0.16 0.16
Soluble inerte Si 0.05 0.03 0.03 Lentamente biodegradable Xs 0.66 0.60 0.51 Particulada inerte Xi 0.13 0.20 0.30
%Reducción MV 48.72 43.17 34.71
INFLUENCIA DE Xi SOBRE LA ELIMINACIÓ DE MV EN DIGESTIÓN ANAEROBIA
LENTAMENTE BIODEGRADABLE DQO (Xi)
INDICADORES RELACIONADOS Ratio DQO/CBOD5 del influente : Un valor elevado indica ,normalmente,un valor alto de Xi
Fracción SSVLM/SSLM : Un valor elevado indica ,normalmente,un valor alto de Xi
Característica Agua
Residual Cruda Decantada
Influente DQO/CDBO5 2.0 – 2.2 1.9 – 2.0
Licor Mezcla VSS/TSS 0.75 0.83
LENTAMENTE BIODEGRADABLE DQO (Xs)
Estimación por diferencia
)( SPSCIUSBST XXXSSDQO ++++=
TUPUSBSSPSC DQOfffXXXs ⋅−−−=+= )1()(
MEDIDA DE LOS COMPONENTES DE LA DQO
FRACCIONES MEDIBLES DIRECTAMENTE
• DQO Rápidamente biodegradable (Sbs/Ss) • DQO soluble no biodegradable (Sus/Si) • DQO lentamente biodegradable coloidal (Xsc) Métodos de medida Respirométricos Fisico-químicos
FRACCIÓN NO MEDIBLE DIRECTAMENTE • DQO particulada no biodegradable (Xi) Métodos de medida Precisa sistema fangos activados
MEDIDA DE LOS COMPONENTES DE LA DQO MÉTODO FISICO-QUÍMICO (WERF)
Floculación
Ss + Si + Xc + Xsp + XI
Ss + Si + Xc
Ss + Si
Filtración
Filtración
Glass fiber (1.2 µm)
Membrana (0.45 µm)))
AGUA BRUTA
Filtrado 1: DQOf
Filtrado 2: DQO ff
Floculante : ZnSO4
DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi/fup)
No puede medirse con métodos directos – Medida / estimación
• Ajustar el valor observado de SSVLM variando iterativamente el de fUP (simulación o con la ecuación)
Debe conocerse con precisión el valor de SRT del sistema
+++−−
= UPXHETXHET
HETUPUS
CV
XTDQOVSS ffb
bYff
VfDQOQ
X )1(1
)1( θθ
θ
COMPONENTES DE LA DQO Valores por defecto de BioWin 3.1
FRACCIÓN CRUDA DECANTADA
Ss - Rápidamente biodegradable(inluyendo Acetato) 0,16 0,27
Fac - Acetato (fracción de Ss) 0,12 0,15
Xs - Particulada lentamente biodegradable 0,66 0,57
Xsp - Lentamente biodeg.no coloidal (fracción de Xs) 0,75 0,50
Xi - Particulada no biodegradable 0,13 0,08
Si - Soluble no biodegradable 0,05 0,08
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL
COMPONENTES DEL NTK
ASESORIA TÉCNICA Y CONTROL, S.A. 26
COMPONENTES DEL NTK
NTK INFLUENTE
Nitrogeno orgánico total
N amoniacal (libre y combinado)
Biodegradable
No Biodegadable
Soluble
Particulada
Soluble
Particulada
COMPONENTES DEL NTK Valores por defecto de BioWin 3.0
FRACCIÓN CRUDA DECANTADA
Fna - Nitrógeno amoniacal (grN-NH3/grNTK) 0,66 0,75
Fnox - Nitrógeno orgánico particulado (grN/gr Norg) 0,50 0,25
Fnus –Nitrógeno soluble no biodegradable (grN/grNTK) 0,02 0,02
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL
COMPONENTES DEL P
ASESORIA TÉCNICA Y CONTROL, S.A. 29
COMPONENTES DEL FÓSFORO
P total INFLUENTE
Ortofosfato Fósforo orgánico
Biodegradable
No Biodegradable
Soluble
Particulado
S Soluble
Particulado
COMPONENTES DEL P Valores por defecto de BioWin 3.0
FRACCIÓN CRUDA DECANTADA
Fpo4 - Fosfato (grP-PO4/grP total) 0,50 0,75
FupP - Ratio P/DQO biodegradable particulada grP/grDQO) 0,50 0,25
CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL
OTROS COMPONENTES
ASESORIA TÉCNICA Y CONTROL, S.A. 32
OTROS COMPONENTES – Sólidos Suspendidos Inertes (ISS) – Alcalinidad – Tasa máxima de crecimiento de nitrificantes
(µA)
OTROS COMPONENTES
SÓLIDOS SUSPENDIDOS INERTES – Se acumulan en el licor mezcla – Influye en el dimensionamiento de reactores,
sedimentadores, manejo de fangos, etc. – Medida:
VSSTSSXISS −=
Valores Típicos
Agua cruda
Agua decantada
XISS (mg/L) 25 - 45 10 – 25
OTROS COMPONENTES
Alcalinidad : - Muy importante en la nitrificación - Se consume 7.1 gr CO3Ca/gr N-NH4 nitrificado - Debe haber una alcalinidad residual no inferior a
100 mg/l
OTROS COMPONENTES
• ¿ Por qué la tasa de nitrificación (µA) ? – Contenido de N-NH4 en el efluente – µA varía de planta a planta (característica del agua residual) – Establece la capacidad de nitrificación de la planta – Determina el volumen necesario del reactor
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20
SRT (days)
AMM
ON
IA (m
gN/L
)
NA b−≈µ
1Mínimo SRT
INFLUENT SPECIFIER
• Herramienta de ayuda para la estimación de las fracciones de la DQO
• Utilización cuando no se dispone de información analítica suficiente para definir todas las fracciones con valores medidos
• Proporciona un conjunto de valores de las fracciones compatible con la composición de la DQO y las fracciones de N y P del afluente
• El resultado no es único,la solución se sitúa dentro de una banda de valores
• Disponible para afluente bruto y efluente decantado
INFLUENT SPECIFIER
INFLUENT SPECIFIER
INFLUENT SPECIFIER
Introducción a la modelización y simulación de procesos biológicos
MODELOS DE FANGOS ACTIVADOS
Influente Anoxico Aerobio Decantador sec. Efluente
Fango biológico
Purga fango
Recirc.Interna
PLANTAS DE ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES
OBJETIVOS GENÉRICOS
• Eliminar carbono • Eliminar N • Eliminar P • Eliminar otros componentes (DQO,DBO,SS etc) • Uso mínimo de energía y productos químicos • Producir mínimas emisiones GHG
CONDICIONES AMBIENTALES
• Óxica Existencia de oxígeno molecular
• Anóxica Ausencia de oxígeno molecular y existencia de NO2 /NO3
• Anaerobia Ausencia de oxígeno molecular
y de NO2 /NO3
ORGANISMOS DEL SISTEMA
• Heterótrofos ordinarios (OHOs)
• Heterótrofos Poly P acumuladores de fósforo(PAOs)
• Organismos Autótrofos (AOBs/ NOBs)
MECANISMO ESQUEMÁTICO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS ORGANISMOS ACUMULADORES DE FÓSFORO
(PAOS)
ROLES DE LOS MICROORGANISMOS HETEROTRÓFOS ORDINARIOS y POLYP (PAOs)
POLYP
PHB
SCFA
PO4
POLYP
PHB
PO4
O CO2 2NO3
N2
POLYP ORGANISMS POLYP ORGANISMS( a fraction )
POLYP ORGANISMS
SCFA
O CO2 2NO3
N2
PARTICULATESUBSTRATE
SOLUBLESUBSTRATE
NON-POLYP ORGANISMS NON-POLYP ORGANISMS NON-POLYP ORGANISMS
PO4
POLYP
PHB
PARTICULATESUBSTRATE
SOLUBLESUBSTRATE
COMPLEXSOLUBLESUBSTRATE
ANAEROBICBEHAVIOR
ANOXICBEHAVIOR
AEROBICBEHAVIOR
UTILIZACIÓN DE SUSTRATO PARA CRECIMIENTO CELULAR AMBIENTE AEROBIO
HETY
HETY-1
Biomasa
CO2 + H2O + energía
1 DQO
O2
UTILIZACIÓN DE SUSTRATO PARA CRECIMIENTO CELULAR AMBIENTE ANÓXICO
HETY
HETY-1
Biomasa
CO2 + H2O + energía
1 DQO
NO2/NO3
ASPECTOS CARACTERÍSTICOS DE LOS MODELOS Ningún modelo incluye GAOs competidores de PAOs Org. Filamentosos – bulking Org. causantes espumas – foaming
PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BioWin 3.1
PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.1 INTRODUCCIÓN
• El modelo “General” de BioWin es un “plant wide model”(supermodel) que integra en una matriz única los componentes y reacciones de la totalidad de los procesos de la planta,obviando la necesidad de simularlos por separado,p.e. línea de agua y línea de fango
• Este aspecto simplifica notablemente la utilización del modelo y proporciona gran versatilidad de funcionamiento
PLANTA COMPLETA
Influente Anoxic 1 Anoxic 2 Oxic 3 Oxic 4 Decantador 2 EffluenteBombeo RiDecantador primario
FlotadorEspesador
Digestión anaerobia Tampón Centrífuga
Arqueta retornos 1Arqueta retornos 2
Fango deshidratado
Purga
Oxic 5Desarenador
Arenas
PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.1 INTRODUCCIÓN
• BioWin es una plataforma de simulación que incluye diversos modelos:
• Modelo “General” de BioWin versión 3.1 Fangos activados (AS) Digestión anaerobia (AD) Eliminación biológica y química de fósforo
Separación de fases (sedimentación y flujo de sólidos) Sistemas de aeración (difusores,turbinas,rotores) Desarrollo de modelos (Model Builder) • Modelo de Biofilm 1-D • Familia de modelos ASM (ASM1-ASM2d-ASM3) • BioWin Controller
PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.0 POTENCIAL DE UTILIZACIÓN
• Cualquier configuración BNR (eliminación nutrientes) • Canales de oxidación ( CARRUSEL,ORBAL.etc) • Bioreactores de membrana (MBR) • Procesos con biofilm (MBBR,IFAS,BAF,RBC,TF) • Reactores secuenciales (SBRs,ICEAS,UNITANK, etc) • Digestión anaerobia (AD) • Prefermentación de fango • Nitrificación-desnitrificación en dos etapas • Procesos de tratamiento “sidestream” (SHARON, ANNAMOX,InNitri,CANON,BABE,DEMONT,etc)
NITRIFICACIÒN/DESNITRIFICACIÒN EN DOS FASES
1 mol Amonio (NH3/ NH4
+)
1 mol Nitrito (NO2
- )
1 mol Nitrato (NO3
- )
75% O2
Ambiente autótrofo Aerobio
1 mol Nitrito (NO2
- )
½ mol GasNitrógeno (N2 )
25% O2
40% Carbon
60% Carbon
Ambiente heterótrofo anóxico
Ventajas: • 25% Reducción de Demanda de Oxígeno • 40% Reducción de Demanda de carbono(e
- donor)
• 40% Reducción de Producción de Biomasa
MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD)
COMPONENTES DE LA BIOMASA:
• Org.heterotrófos (OHOs y PAOS/PolyP ) • Org.utilizadores anóxicos de metanol • Org.Nitrificantes (AOBs y NOBs) • Org. Acetogenicos propiónicos • Org.Metanogénicos acetoclásticos • Org.Metanogénicos hidrogenotrófos • Residuo endógeno
MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD)
Procesos genéricos incluídos en el modelo – Crecimiento biológico – Muerte biológica – Reacciones de hidrólisis – Fermentación – Amonificación – Cesión/Captación de Fósforo – Precipitación química – Transferencia de gases/líquido
MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD) .PARÁMETROS
Cinéticos – Crecimiento)
– Muerte (lisis celular ) – Funciones de cambio – Hidrólisis, almacenamiento,etc
Estequiométricos – p.e. síntesis,nutrientes,etc
PARÁMETROS CINÉTICOS BioWin 3.1
PARÁMETROS ESTEQUIOMÉTRICOS BioWin 3.1
MECANISMOS DEL MODELO AS (MUERTE-REGENERACIÓN) (Dold)
Si
Ss
Si
Ss
Xs
Xi
X
decay Xb
Xs
Xu
Xi
1-fu
fu
hidrólisis
degradación
O2
MODELO AS :FORMULACIÓN
Utilización sustrato Muerte Crecimiento neto
X = Concentración de biomasa µ = Tasa específicade crecimiento b = Tasa específica de muerte
XdX/dt µ=
XdX/dt b−=
b)X-(dX/dt µ=
YdS/dtdtdX =/X/YdS/dt ⋅= µ
Crecimiento
MODELO AS :FORMULACIÓN (p.e. Utilización del sustrato)
Estequiometría 1 unidad de sustrato utilizado Y unidades de biomasa producida (1-Y) unidades de O2 consumidas
iXBN unidades de NH4-N utilizadas para síntesis
iXBP unidades de PO4-P utilizadas para síntesis
b)X-SK
S Y
(dS/dtSS
S
+=
µ
Cinética
Utilización sustrato Crecimiento heterotrofos H
SS
S b)X-SK
S(+⋅
=µ
dtdX
MODELO AS (PRESENTACIÓN MATRIZ DE PETERSEN)
PROCESOS
COMPONENTES TASA Sustrato
Ss Biomasa
XH Residuo
XE Oxígeno
O2 Utilización sustrato
-1
+Y
-(1-Y)
Muerte endógena -1 +f -(1-f) b· XH
H
SS
S XSK
S Y +µ
FUNCIONES DE CAMBIO
• Modifican la tasa de un proceso por factores ambientales,limitaciones de nutrientes ,inhibicion por pH,etc
Ejemplo:Influencia de la alcalinidad sobre la nitrificación
SALK
1
0
KALK
ALKALK
ALKAUT
NHN
NH
AUT
AUT3NO SK
SXSK
SY
r+
⋅⋅+
µ=
+ ALKALK
ALK
SKS
FUNCIONES DEL SIMULADOR
– Simulaciones en estado estacionario • Resolver ecuaciones algebraicas no lineales • Calcular las concentraciones de cada componente
en cada punto del sistema • Balances de masas
– Simulaciones Dinámicas – Integrar procesos unitarios en los modelos
disponibles Optimizar
Diseño Operación
CAMPO DE VALIDEZ DEL MODELO
Supuestos inherentes a los modelos – Intervalo de la edad del fango SRT (≈3 a ≈30 dias) – Configuración hidraúlica del reactor biológico (N tanques en serie) – Condiciones de mezcla completa ideal – Precipitación química espontánea limitada
SUPUESTOS SIMPLIFICATORIOS
Características afluente: • Se supone que las fracciones de DQO permanecen invariables Decantación primaria: • Todos los componentes particulados(Xi ,XSP ,SSI) son
eliminados en la misma proporción (misma V decantación) • Fangos activados : • Se supone que el efluente no tiene SS ni XSC
• El proceso no genera productos solubles no biodegradables (origen microbiano)
Decantación secundaria / SBRs : • Reactividad biológica en la fase de decantación en condiciones
de mezcla completa
ESTIMACIÓN DEL NÚMERO EQUIVALENTE DE TANQUES EN SERIE DE UN REACTOR
• Empleo de trazadores • Método aproximado WRC
HW)R(1QL7.4N Rt
⋅+⋅⋅
⋅=
Nt =Número equivalente de tanques en serie L = longitud total del tanque de aeración (m) Q = Caudal de influente (m3/s) Rr =Ratio de recirculación de fango /adimensional) W =Anchura del tanque /m) H = Altura de lámina (m)
Separación de fases y modelización de la decantación secundaria
FUNCIÓN DEL MODELO
Predicción de los sólidos del efluente
Predicción de la concentración del fango de retorno (RAS) Predicción del manto de fango (perfil de sólidos)
- Calidad del efluente - SRT
- SRT (mediante la purga) - Distribución de la biomasa
Distribución de la biomasa
TIPOS DE MODELOS DISPONIBLES
Tres tipos de modelos:
1. Separador puntual – Sin Volumen (V=0) – % de eliminación de sólidos
2. Decantador ideal (primario y secundario)* – % eliminación de sólidos – Manto de fangos fijo
3. Decantador Modelo (1-D)*
– Vesilind modificado – Doble Exponencial – Varios parámetros de decantación
* Con o sin reacciones biológicas
DECANTADOR IDEAL
DECANTADOR IDEAL
DECANTADOR IDEAL
MODELO DE SEDIMENTACIÓN 1D
División del decantador en capas
MODELO UNIDIMENSIONAL DE SEDIMENTACIÓN
• Balance de masas en las capas Quantifica el movimiento de sólidos entre las capas
• Movimiento de masa • Flujo gravitatorio de • sólidos • Condiciones de contorno
PARÁMETROS DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN ZONAL
Relación velocidad de sedimentación
zonal-concentración de sólidos (Vesilind)
La velocidad de sedimentación zonal decrece al aumentar la concentración de sólidos
(m/h) 0XK
S eVV −=
PARÁMETROS DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN ZONAL
Vs – velocidad de sedimentación
X – concentratión de sólidos
(m/h) eVV XK0S
−=
CONDICIONANTES DEL BALANCE DE MASAS
Balance de masas en el decantador
secundario X0
01 X
RRX R
+
=
XE ≈ 0
QR
QI + QR
I
R
QQR =
CONDICIONANTES DEL BALANCE DE MASAS
R (%) Factor de Concentración
SS (mg/L) en Fango retorno
100 2 5,000 50 3 7,500 25 5 12,500 10 11 27,500
Concentración del fango de retorno .XR para para X0=2500 mg/L
Maxima compactación de sólidos,XM
CLARIFICACIÓN
• Teoría de Flujo de sólidos y sedimentación zonal Espesado de los sólidos
Aplicación de diversos procedimientos empíricos - Fracción de sólidos no sedimentables - Modelo de Pflanz - Modificar la velocidad de sedimentación a
concentraciones de fango bajas
¿Qué pasa con la clarificación y los sólidos del efluente?
CLARIFICACIÓN
• Solución BioWin
mg/L 200 - 20 0 ≈
+= −
SS
XKS K
XKXeVV
Utilizar una Función de cambio para reducir la velocidad de sedimentación a concentraciones bajas de sólidos
0pequeño es Si
1grande es Si
⇒
+
⇒
+
XKsXX
XKsXX
+ XKsX
X
1
0
Ks
RESUMEN
Parámetro Unidad Fango Normal
Fango Bulking
Fango viejo
Ks mg/L 100 20 200
K L/g 0.4 0.6 0.25
Vo m/d 170 130 200
XM mg/L 15,000 7,000 20,000
Valores por defecto de los parámetros
REACCIONES BIOLÓGICAS EN EL MANTO DE FANGO
REACCIONES BIOLÓGICAS EN EL MANTO DE FANGO
• Utilizar decantador reactivo cuando el reactor contiene una masa de fango significativa • En decantadores secundarios :
• Se produce desnitrificación (N-NO3/N-NO2) • Se produce redisolución de P (P-PO4)
– En decantadores primarios: • Se produce Fermentación (VFA) • Se produce hidrólisis del NTK (N-NH4)
RESUMEN • Comenzar con modelo ideal • Utilizar el decantador modelo si es necesario:
– Cambios en la concentración de sólidos del efluente/manto de fango (p.e. episodios de lluvia)
– Cambios en la masa total de fango en el decantador (p.e. episodios de lluvia)
• Calibrar los parámetros de Vesilind del modelo – Compactación máxima (XM) – Parámetros de la sedimentación zonal (VO y K) – Función de cambio de la clarificación (KS)
• Utilizar el decantador reactivo si es necesario
Sistemas de aeración
IMPORTANCIA DEL MODELO DE AERACIÓN
Flocculation and filtration
8%Sludge treatment
11%
Infrastructure and miscellaneous
6%
Pumping (wastewater)
5%Pre-treatment
3%
Biological treatment and settling (incl. sludge pumping)
67%
Floculación y filtración 8% Tratamiento de fango
11 %
Varios 6%
Bombeo (afluente Planta ) 5 %
Pretratamiento 3 %
Tratamiento biológico y sedimentación incluso bombeo fango 67 %
CONSUMO ENERGÉTICO EN LA EDAR DE FANGOS ACTIVADOS
DISEÑO DEL SISTEMA DE AERACIÓN
Permite
– Estimación rápida de • Densidad de difusores • Profundidad del reactor • Necesidades de aire • Impacto de las condiciones
operativas de la planta – Edad del fango (SRT) – Temperatura – Consignas de D.O.
• Comprobación de factores tales como el intervalo de caudales de aire por difusor
DISEÑO DEL SISTEMA DE AERACIÓN
• Cuantificaciónde la variación de la demanda de
oxígeno • Temporal • Espacial
AERACIÓN CON DIFUSORES POROSOS FINOS EFICIENCIA DE UN DIFUSOR
SOTE (%/m) vs Caudal de aire por difusor
El modelo debe tener en cuenta… - Disminución de la SOTE al incrementar el caudal de aire - Impacto de la densidad de difusores
4
5
6
7
8
9
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8
AIR FLOW PER DIFFUSER (m3/h/diffuser)
SOTE
(%/m
)
DD = 35%DD = 25%DD = 10%DD = 4%DD = 2%
AERACIÓN CON DIFUSORES DE BURBULA GRUESA EFICIENCIA DE UN DIFUSOR
SOTE (%/m) vs Caudal de aire por difusor
El modelo debe tener en cuenta… - Impacto de la densidad de difusores
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
0 5 10 15 20 25 30
AIR FLOW PER DIFFUSER (SCFM/diffuser)
SOTE
(%/ft
)
DD = 35.0%
DD = 25.0%
DD = 10.0%
DD = 10.0%
DD = 4.0%
DD = 2.0%
MODELIZACIÓN DEL SISTEMA DE AERACIÓN
Modelo fangos activados
Eliminación carbono Nitrificación
Respiración Endógena
OUR
Volumen tanque Caudales
OTR necesaria
[ ] VCCaKFOTR *20T20L ⋅−⋅β⋅θ⋅⋅α= −
∞
Varía con KLa
α
ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA EN CONDICIONES DE CAMPO
Tasa de transferencia de oxígeno – EPA Design Manual for Fine Pore
Aeration Systems (EPA/625/1-89/023)
Requiere información sobre el coeficiente de transferencia Kla y αF
[ ][ ][ ] VCCaKF
VCCaKFVCCaKOTR
*20
20T20L
*20T20L
*L
⋅−⋅β⋅Ω⋅τ⋅θ⋅⋅α=
⋅−⋅β⋅θ⋅⋅α=
⋅−⋅=
−
−
∞
∞
Parámetro KLa
• Investigación en laboratorio – Resultados
)//(mreactor del Area / 23 dmQUdonde
AIRESG =Y
SG
tLL
UC
VAkaK
⋅=
⋅=
YSGL UCaK ⋅=
C varía con la densidad de difusores
Y constante para cada difusor
225.0
1 kDDkC +⋅=
Parámetro α
• Estimación de α Medidas en campo
– Método Off-gas – Técnica de Desoxigenación (H2O2)
Simulation – Utilización de datos dinámicos del sistema de aeración
• Nota: – α varía espacialmente a lo largo del reactor,
temporalmente a lo largo del día, etc.
PARÁMETROS DEL DIFUSOR EN BioWin 3.1
PARÁMETROS DE AERACIÓN EN BioWin 3.1
AERACIÓN SUPERFICIAL EN BioWin 3.1
Calibración de un modelo
CALIBRACIÓN / VALIDACIÓN DEL MODELO
CALIBRACIÓN DE UN MODELO • Simulación del comportamiento de un proceso(o de la
totalidad de la planta) a un nivel de precisión suficiente para poder aplicar posteriormente el modelo con un grado de confianza adecuado
• El modelo calibrado se valida posteriormente en condiciones distintas hasta verificar la precisión de la calibración
OBJETIVOS DE LA CALIBRACIÓN
– Hacer coincidir los resultados del modelo suficientemente bien con el mayor número de parámetros (NO perfectamente bien con uno en particular)
– Conocer el campo de validez del modelo
– Tener una estimación del grado de precisión esperable
ESCENARIOS/METODOLOGÍA DE UTILIZACIÓN
PROYECTO EDAR NUEVA (Utilización directa del modelo) • Datos de diseño de Pliego de Bases Normalmente valores
por defecto (ausencia de datos suficientes) • Campaña analítica Generación de datos
ANÁLISIS , EVALUACIÓN, AMPLIACIÓN DE PLANTAS EXISTENTES
(calibración del modelo) Campaña analítica Datos CALIBRACIÓN MODELO
EXPLOTACIÓ-OPTIMIZACIÓN DE PLANTAS (Calibración del modelo) Campaña analítica Datos CALIBRACIÓN MODELO
METODOLOGIA DE CALIBRACIÓN / VALIDACIÓN
PROTOCOLOS DE CALIBRACIÓN
– WERF (USA, Australia) – BioMath (Bélgica) – STOWA (Holanda) – HSG (Austria, Alemania) – IWA GPM(Good Modelling Practice)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
time (d)
conc
entr
atio
n m
gN/l
OBJETIVOS DE LA CALIBRACIÓN
NOx NH4
CALIBRACIÓN
OBJETIVOS DE LA CALIBRACIÓN
0
1
2
3
4
5
6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
time (d)
conc
entr
atio
n m
gN/l
NOx NH4
VALIDACIÓN
APROXIMACIÓN PROGRESIVA A LA CALIBRACIÓN
• 4 NIVELES BÁSICOS DE CALIBRACIÓN utilizando los siguientes datos de los parámetros estequiométricos y cinéticos del agua de entrada):
1. Únicamente valores por defecto del modelo y supuestos Nivel Pimario 2. Solamente valores históricos Poco precisa
3. Campaña analítica, ensayos in situ Mejor
4. Medida directa de parámetros específicos (influente, cinéticos) Situación ideal
INFORMACIÓN BÁSICA NECESARIA
– Datos físicos de las instalaciones (dimensiones
aparatos ,configuración…) – Datos operacionales (TºC,SRT,caudales
recirculaciones,OD…) – Cargas afluentes (DQO,NTK,PT,caudales…) – Características del influente (fracciones ) – Características de los retornos – Parámetros estequiométricos y cinéticos
RESUMEN
• A la hora de calibrar un modelo hay que prestar atención a los siguientes aspectos : – Muestreo representativo – Analítica – Conocimiento de las condiciones operativas de la planta – Mediciones en planta – Variaciones diurnas – Entender el significado de los parámetros del modelo – ….. Y recordar que …..
“La simulación es una herramienta muy útil ….. Pero no sustituye a la experiencia y el arte de la ingeniería”.