Eliminacion Biologica de Nutrientes

UNIVERSIDAD DEL NORTE

GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS DEL AGUA

DESARROLLO DE UN MODELO GENERAL PARA LA ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES EN

LOS SISTEMAS DE FANGOS ACTIVADOS.

Barranquilla, 2005.

EUTROFIZACIÓN

• Problemas de eutrofización → Interés por la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) en las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR)

• En el futuro, nuevas EDAR deberán ser diseñadas para la eliminación de nutrientes.

PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO

Nitrógeno amoniacal

Nitrógeno orgánico(Proteínas, urea)

Descomposición bacteriana

e hidrólisisNitrógenoorgánico(células)

Nitrógeno orgánico(Crecimiento neto)

Nitrito (NO2-)

Nitrato (NO3-) Nitrógeno gaseoso (N2)

Asimilación

Lisis y autooxidación

Desnitrificación

Carbono orgánico

Nitr

ifica

ción

O2

O2

Transformaciones del nitrógeno en los procesos de tratamiento biológico (Metcalf & Eddy, 1995)

PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO

PAO

PAO

Energía

Energía Fósforo

Fósforo

CO2

Oxígeno

Materia org. fácilmente degradable

Anaerobia

Aerobia

Anaerobias Aerobias

Concentración de fósforoen el agua residual

Eliminación defósforo

Descarga biológicade fósforo

Absorción biológicade fósforo

Concentración de fósforo durante el proceso de eliminación biológica (Ferrer, 1997)

Esquema de eliminación biológica de fósforo por las bacterias PAO

PROCESO DE ELIMINACIÓN BIOLÓGICA CONJUNTA DE NITRÓGENO Y DE FÓSFORO

(ANAEROBIA-ANOXICA-AEROBIA)

Tiempo de retención celular

Características del Agua

Temperatura

012345678

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Temperatura, ºC

TRC

aer

obio

mín

imo,

día

s

Nitrif icantes

PAO

• Calidad

• Cantidad

DQO/NKT ↑ (N)

DQO/P ↓ (P)012345678

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Temperatura, ºC

TRC

aer

obio

mín

imo,

día

s

Nitrif icantes

PAO MODELACIÓN MATEMÁTICA DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS CON ELIMINACIÓN

BIOLÓGICA DE NUTRIENTES

Herramienta necesaria para DISEÑO-CONTROL-OPTIMIZACION

+ PROCESOS BIOLOGICOS

Componentes solubles

SF (mgDQO/L): Sustrato orgánico solubleSA (mgDQO/L): Acidos volátilesSO2 (mgDQO/L): Oxígeno en disoluciónSI (mgDQO/L): Materia orgánica inerte solubleSNH4 (mgN/L): Nitrógeno amoniacalSNO3 (mgN/L): Nitrógeno oxidado (nitrato + nitrito)SN2 (mgN/L): Nitrógeno gaseosoSPO4 (mgP/L): Fósforo inorgánico soluble (ortofosfato)SALK (mgHCO3/L): alcalinidad del agua residual

Componentes particulados

XS (mgDQO/L): Sustrato orgánico particulado XI (mgDQO/L): Materia orgánica inerte particuladaXPHA (mgDQO/L): Sustrato orgánico almacenado intracelularmente por las bacterias acumuladoras de polifosfatosXPP (mgP/L): Polifosfatos almacenados intracelularmente XH (mgDQO/L): Biomasa heterótrofaXAUT (mgDQO/L): Biomasa autótrofaXPAO (mgDQO/L): Biomasa acumuladora de polifosfatos

MODELO DE FANGOS ACTIVADOS No. 2

(ASM2)

(Incluye los procesos de eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo)

PROCESOS BIOLÓGICOS

Componente i SF SNH4 SPO4 SI SALK XS

j. ↓ Proceso

1 Hidrólisis aerobia 1-fSI 41 NH,V 41 PO,V fSI ALK,V1 -1

2 Hidrólisis anóxica 1-fSI 42 NH,V 42 PO,V fSI ALK,V2 -1

3 Hidrólisis anaerobia 1-fSI 43 NH,V 43PO,V fSI ALK,V3 -1

• Procesos de las bacterias heterótrofas no acumuladoras (XH)

Componente i SO2 SF SA SNO3 SN2 XI XS XH

j. ↓ Proceso

4 Crecimiento aerobio sobre

SF HY)HY( −

−1

HY1

−+1

5 Crecimiento aerobio sobre

SA HY)HY( −

−1

HY1

−+1

6 Crecimiento anóxico

sobre SF HY1

−HY.

)HY(⋅

−−

8621

HY.)HY(

⋅−862

1 +1


sobre SA HY1

−HY.

)HY(⋅

−−

8621

HY.)HY(

⋅−862

1 +1

8 Fermentación -1 +1

9 Lisis fXI 1-fXI -1

j. ↓ Proceso Velocidad de reacción

1 Hidrólisis aerobiaH

HSX

HS

OO

Oh X

XXKXX

SKS

K ⋅+

⋅+

⋅22

2

2 Hidrólisis anóxicaH

HSX

HS

NONO

NO

OO

ONOh X

XXKXX

SKS

SKK

K ⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅33

3

22

23

3 Hidrólisis anaerobiaH

HSX

HS

NONO

NO

OO

Ofeh X

XXKXX

SKK

SKK

K ⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅33

3

22

2

4 Crecimiento aerobio

sobre SFH

POP

PO

ALKALK

ALK

NHNH

NH

FA

F

FF

F

OO

OH X

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKS

⋅+

⋅+

⋅++

⋅+

⋅+

⋅µ4

4

44

4

22

2


sobre SAH

POP

PO

ALKALK

ALK

NHNH

NH

FA

A

AA

A

OO

OH X

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKS

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅µ4

4

44

4

22

2


sobre SFH

POP

PO

ALKALK

ALK

NONO

NO

NHNH

NH

FA

F

FF

F

OO

ONOH X

SKS

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKK

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅µ4

4

33

3

44

4

22

23


sobre SAH

POP

PO

ALKALK

ALK

NONO

NO

NHNH

NH

FA

A

AA

A

OO

ONOH X

SKS

SKS

SKS

SKS

SSS

SKS

SKK

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅η⋅µ4

4

33

3

44

4

22

23

8 FermentaciónH

ALKALK

ALK

NONO

NO

Ffe

F

OO

Ofe X

SKS

SKK

SKS

SKK

q ⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅33

3

22

2

9 Lisis de XH HH Xb ⋅

Componente i SO2 SA SPO4 XI XS XPAO XPP XPHA

j. ↓ Proceso

10 Almacenamiento de XPHA -1 4POY 4POY− 1

11 Almacenamiento de XPP PHAY− -1 1 PHAY−


PAOY)PAOY( −

−1 PBMi− 1

PAOY1

−

13 Lisis de XPAO fXI 1-fXI -1

14 Ruptura de XPP 1 -1

15 Ruptura de XPHA 1 -1

• Procesos de las bacterias acumuladoras de polifosfatos (XPAO)


10 Almacenamiento de

XPHAPAO

PAOPPPP

PAOPP

ALKALK

ALK

AA

APHA X

XXKXX

SKS

SKS

q ⋅⋅+

⋅+

⋅+


XPP( ) PAO

PAOPPMAXIPP

PAOPPMAX

PAOPHAPHA

PAOPHA

ALKALK

ALK

POPS

PO

OO

OPP X

XXKKXXK

XXKXX

SKS

SKS

SKS

q ⋅−+

−⋅

+⋅

+⋅

+⋅

+⋅

4

4

22

2


de XPAOPAO

PAOPHAPHA

PAOPHA

POP

PO

ALKALK

ALK

NHNH

NH

OO

OPAO X

XXKXX

SKS

SKS

SKS

SKS

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅µ4

4

44

4

22

2

13 Lisis de XPAOPAO

ALKALK

ALKPAO X

SKS

b ⋅+

⋅

14 Ruptura de XPPPP

ALKALK

ALKPP X

SKS

b ⋅+

⋅

15 Ruptura de XPHAPHA

ALKALK

ALKPHA X

SKS

b ⋅+

⋅

Componente i SO2 SNH4 SNO3 SPO4 XI XS XAUT

j. ↓ Proceso

16 Crecimiento aerobioAY

)AY.( −−

574

AYiNBM

1−−

AY1 PBMi− +1

17 Lisis fXI 1-fXI -1

• Procesos de las bacterias autótrofas (XA)



de XAUTAUT

POP

PO

ALKALK

ALK

NHNH

NH

OO

OAUT X

SKS

SKS

SKS

SKS

⋅+

⋅+

⋅+

⋅+

⋅µ4

4

44

4

22

2

17 Lisis de XAUT AUTAUT Xb ⋅

Suposiciones del modelo ASM2

• El único sustrato que pueden capturar las PAO es el SA.

• Las PAO pueden crecer aerobiamente a partir del PHA, no directamente a partir del SA.

• Las PAO no pueden llevar a cabo el proceso de desnitrificación.

• No se tiene en cuenta el papel del glicógeno en el metabolismo de las PAO.

• No se incluye en el modelo una fracción de biomasa heterótrofa capaz de almacenar PHA bajo condiciones anaerobias sin liberación de fósforo y posteriormente crecer a expensas del PHA almacenado.

Planta pilotoDiseño experimental – Estudios de los procesos de eliminación biológica de nutrientes

• Operación y seguimiento de la planta hasta estado estacionario→ Una vez alcanzado el estado estacionario

Seguimiento analítico exhaustivo (influente, efluente y reactores)

• Calibración del modelo a partir de ensayos de laboratorio.

Planta pilotoEsquema

Recirculación nitratosRecirculación interna

Acético

Influente

Decantador 1º

Elutriación

Anóxica AerobiaAnaerobia

Purga fangos 1º

Muestra integrada efluente

Recirculación fangos

Sistema de refrigeración

Purga fangos 2º

Decantador 2º

Muestra integrada influente

Efluente

Planta piloto – Vista general

Planta piloto – Vista del reactor biológico

Planta pilotoSeguimiento analítico

Resultados experimentales medios obtenidos del seguimiento exhaustivo del estado estacionario, para las edades del fango estudiadas

Edad del fango 16 días 14 días 12 días

DQO total (mgO/L) 168 132 181

DQO soluble (mgO/L) 90 57 96

DBO5 total (mgO/L) 84 105 106

DBO5 soluble (mgO/L) 44 42 30

Fósforo soluble(mgP/L) 3.6 3.4 3.7

Fósforo total (mgP/L) 4.2 6.0 5.0

Nitrógeno total (mgN/L) 19.4 19.0 28.9

Amonio (mgN/L) 14.8 15.0 17.7

Nitrato (mgN/L) <0.2 <0.2 <0.2

Influente

Ac. Acético (mgO/L) 9.7 6.8 1.6

DQO soluble (mgO/L) 40 28 35

DBO5 soluble (mgO/L) 3 8 0

Fósforo soluble (mgP/L) 2.1 0.4 1.9

Amonio (mgN/L) <1.5 <1.5 <1.5

Efluente

Nitrato (mgN/L) 6.9 8.6 13.0

Edad del fango 16 días 14 días 12 días

SST (mg/L) 2286 2047 2054

SSV (mg/L) 1709 1410 1499

DQO total (mgO/L) 2743 2271 2526

Fósforo soluble (mgO/L) 28.3 24.9 30.1

Amonio (mgN/L) 9.8 15.5 11.5

Reactor

Anaerobio

Nitrato (mgN/L) <0.2 0.7 0.8

SST (mg/L) 3154 2732 2929

SSV (mg/L) 2308 1850 2112

DQO total (mgO/L) 3744 2710 3226


Amonio (mgN/L) 8.8 14.8 11.1

Reactor

Anóxico

Nitrato (mgN/L) <0.2 0.8 0.9

SST (mg/L) 3236 2766 2992

SSV (mg/L) 2298 1822 2081

DQO total (mgO/L) 3730 2733 3203


Amonio (mgN/L) <1.5 <1.5 <1.5

Reactor

Aerobio

Nitrato (mgN/L) 7.8 9.6 15.0

Planta pilotoSeguimiento analítico

Resultados experimentales medios obtenidos del seguimiento exhaustivo del estado estacionario, para las edades del fango estudiadas

Calibración del modeloParámetros obtenidos

Parámetro TRC

16 días

Unidades

Bacterias heterótrofas no acumuladoras

YH 0.60 mgDQO/mgDQO

µH 3.54 día-1

bH 0.39 día-1

Ks 20.4 mg DQO/L

Bacterias autótrofas

µA 1.39 día-1

bA 0.15 día-1

KNH 0.25 mg N/L

Bacterias acumuladoras de polifosfatos

YPAO 0.80 mgDQO/mgDQO

µPAO 2.73 día-1

bPAO, bPHA, bPP 0.15 día-1

KPHA 0.06 mgDQO/mgDQO

qPP 3.67 día-1

KIPP 0.02 mgP/mgDQO

YPO4 0.26 mgP/mgDQO

qPHA 4.70 día-1

KA 10.2 mgDQO/L

KMAX 0.136 mgP/mgDQO

Calibración del modelo Limitaciones encontradas

• El valor de KMAX (cantidad máxima de fósforo acumulable por unidad de biomasa acumuladora) es muy inferior al habitual en cultivos puros

• El valor de YPO4 (cantidad de fósforo liberado por unidad de acético, como DQO, tomado en fase anaerobia) es muy inferior al habitual en cultivos puros

• El valor de YPAO (cantidad de biomasa producida por unidad de XPHA como DQO) es algo superior al habitual en cultivos puros

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 y anóxica metabolizan el PHA para su crecimiento y generación de nuevas reservas de glicógeno

La consideración de bacterias G permite justificar los valores de KMAX , YPO4 e YPAO.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollo de un modelo general para la eliminación biológica denutrientes en los sistemas de fangos activados, que incluya la competición entre las bacterias acumuladoras de polifosfatos (PAO) y las bacterias acumuladoras de glicógeno (GAO)

• 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

Base el ASM2+

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Desarrollo de una metodología de calibración de los parámetros cinéticos y estequiométricos de las GAO

• Aportarán valores reales de los parámetros

• Permitirá establecer los procesos biológicos relevantes para las GAO

• Desarrollo de un simulador de fangos activados en el que se incluya el modelo propuesto

• Permitirá validar el modelo propuesto mediante la comparación de los resultados obtenidos experimentalmente con los de las simulaciones

• Servirá de base para la implementación de estrategias de control de la biomasa GAO

DESARROLLO DEL MODELO

♣ Grupos de microorganismos incluidos en el modeloOrganismos 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

• Componentes particulados (Adicionales al ASM2)

XGAO (mgDQO/L): Biomasa GAOXPHA,G (mgDQO/L): Polihidroxialcanoatos almacenados intracelularmente en las bacterias GAOXGLY (mgDQO/L): Glicógeno almacenado intracelularmente en las bacterias PAOXGLY,G (mgDQO/L): Glicógeno almacenado intracelularmente en las bacterias GAO

DESARROLLO DEL MODELO

• Componentes solubles (Igual que en el ASM2)

ANOXICO

XPHA

XGLY

XPP

SPO4

ENERGIA

PAO

SNO3SN2

Biomasa

AEROBIO

XPHA

XGLY

XPP

SPO4

ENERGIA

PAO

SO2

H2O

Biomasa

ANAEROBIO

SA

XPHA

XGLY

XPP

SPO4

ENERGIA

ENERGIA

PAO

Metabolismo de las bacterias PAO

Metabolismo de las bacterias GAO

ANAEROBIO

SA

XPHA,G

XGLY,G

ENERGIA

GAO

AEROBIO

XPHA,G

XGLY,G

ENERGIA

GAO

SO2

Biomasa

H2O

ANOXICO

XPHA,G

XGLY,G

ENERGIA

GAO

SNO3SN2

Biomasa

PROCESOS BIOLÓGICOS

• Procesos de las bacterias acumuladoras de polifosfatos (XPAO)

No.↓ Procesos \ Componentes SO2 SA SNO3 SPO4 XI XS XPAO XPP XPHA XGLY

1 Almacenamiento de XPHA SAY− 4POY 4POY− 1 )1( SAY−−

2 Almacenamiento aerobio

de XPP

PHAY− -1 1 PHAY−

3 Almacenamiento anóxico

de XPP862

,.

NOPHAY− -1 1 NOPHAY ,−

4 Crecimiento aerobioPAOY

PAOY )1( −− PBMi− 1

PAOY1

−

5 Crecimiento anóxicoNOPAOY

NOPAOY

,86.2),1(

⋅

−− PBMi− 1

NOPAOY ,

1−


de XGLYGLYY

GLYY )1( −−

GLYY1

− 1


de XGLYNOGLYY

NOGLYY

,86.2),1(

⋅

−−

NOGLYY ,

1− 1

8 Lisis de XPAO 4,8 POSV fXI 1-fXI -1

9 Lisis de XPP 1 -1

10 Lisis de XPHA 1 -1

11 Lisis de XGLY 1 -1

No.↓ Procesos Velocidad de reacción

Organismos acumuladores de polifosfatos (PAO):

1 Almacenamiento de XPHAPAOX

PAOXGLYXGLYKPAOXGLYX

PAOXPPXPPKPAOXPPX

SALKMSAMqPHA

⋅+

⋅+

⋅⋅⋅


de XPP( ) PAOX

PAOXPPXMAXKIPPKPAOXPPXMAXK

PAOXPHAXPPHAKPAOXPHAX

SALKMSPOMSOMqPP

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅⋅⋅ 42


de XPP( ) PAOX

PAOXPPXMAXKIPPKPAOXPPXMAXK

PAOXPHAXPPHAKPAOXPHAX

SALKMSPOMNOMSONPAOqPP

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 432η

4 Crecimiento aerobioPAOX

PAOXPHAXPHAKPAOXPHAX

SALKMSPOMNHMSOMPAO

⋅+

⋅⋅⋅⋅⋅ 442µ

5 Crecimiento anóxicoPAOX

PAOXPHAXPHAKPAOXPHAX

SALKMSPOMNHMNOMSONPAOPAO⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 4432ηµ


de XGLY( ) PAOX

PAOXGLYXMGKIGKPAOXGLYXMGK

PAOXPHAXGLYPHAKPAOXPHAX

SOMqGLY

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅ 2


de XGLY( ) PAOX

PAOXGLYXMGKIGKPAOXGLYXMGK

PAOXPHAXGLYPHAKPAOXPHAX

SALKMNOMSONPAOqGLY

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅⋅⋅⋅ 32η

8 Lisis de XPAO PAOXSALKMPAOb ⋅⋅

9 Lisis de XPP PPXSALKMPPb ⋅⋅

10 Lisis de XPHA PHAXSALKMPHAb ⋅⋅

11 Lisis de XGLY GLYXSALKMGLYb ⋅⋅

• Procesos de las bacterias acumuladoras de glicógeno (XGAO)

No.↓ Procesos \ Componentes SO2 SA SNO3 SPO4 XI XS XGAO XPHA,G XGLY,G


XPHA,G

GSAY ,− 1 ),1( GSAY−−

13 Crecimiento aerobioGAOY

GAOY )1( −− PBMi− 1

GAOY1

−

14 Crecimiento anóxicoNOGAOY

NOGAOY

,86.2),1(

⋅

−− PBMi− 1

NOGAOY ,

1−


de XGLY,GGGLYY

GGLYY

,

),1( −−

GGLYY ,

1− 1


de XGLY,GGNOGLYY

GNOGLYY

,86.2),1(

⋅

−−

GNOGLYY ,

1− 1

17 Lisis de XGAO 4,17 POSV fXI 1-fXI -1

18 Lisis de XPHA,G 1 -1

19 Lisis de XGLY,G 1 -1

No.↓ Procesos Velocidad de reacción

Organismos acumuladores de glicógeno (GAO):


XPHA,G

GAOXGAOXGGLYXGGLYK

GAOXGGLYXSALKMSAMq

GPHA⋅

+⋅⋅⋅

,,,

,

13 Crecimiento aerobioGAOX

GAOXGPHAXGPHAKGAOXGPHAX

SALKMSPOMNHMSOMGAO

⋅+

⋅⋅⋅⋅⋅,,

,442µ

14 Crecimiento anóxicoGAOX

GAOXGPHAXGPHAKGAOXGPHAX

SALKMSPOMNHMNOMSONGAOGAO⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

,,,

4432ηµ


de XGLY,G( ) GAOX

GAOXGGLYXGMGKGIGKGAOXGGLYXGMGK

GAOXGPHAXGLYGPHAKGAOXGPHAX

SOMqGGLY

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅

,,,,,

,,,

2,


de XGLY,G( ) GAOX

GAOXGGLYXGMGKGIGKGAOXGGLYXGMGK

GAOXGPHAXGLYGPHAKGAOXGPHAX

SALKMNOMSONGAOqGGLY

⋅−+

−⋅

+−⋅⋅⋅⋅⋅

,,,,,

,,,

32,η

17 Lisis de XGAO GAOXSALKMGAOb ⋅⋅

18 Lisis de XPHA,G GPHAXSALKMGPHAb ,, ⋅⋅

19 Lisis de XGLY,G GGLYXSALKMGGLYb ,, ⋅⋅

METODOLOGÍA DE CALIBRACIÓN

•Mantiene el mismo procedimiento experimental que la del 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, realizados en laboratorio con biomasa real y agua residual real, bajo un amplio intervalo de condiciones de operación

• Experimentos en discontinuo:

Aislar Procesos/Facilitar la det. de Parámetros.

METODOLOGÍA DE CALIBRACIÓN

• Sigue el mismo procedimiento para la calibración de los procesos relacionados con XH y XAUT que en el ASM2

•Modifica el procedimiento para la calibración de los procesos relacionados con XPAO.

• Dado que se espera que los parámetros de las PAO y GAO no varíen significativamente para unas condiciones de pH y Temp.:

Calibración →2 edades del fango

Comprobará la capacidad de los parámetros para representar por simulación las dos y una tercera edad

CALIBRACIÓN DE PARÁMETROSAlmacenamiento anaerobio de A.G.V

• Procedimiento experimental• Biomasa a fase endógena • Ausencia total de aceptores de electrones• Separar biomasa en 3 reactores a idénticas

condiciones ambientales (20ºC)• Introducir en cada reactor diferentes

concentraciones de ácido acético• Seguir evolución temporal


• Los datos experimentales deben seguir la cinética propuesta por el modelo:

Para las bacterias PAO

Para las bacterias GAO

PAO

PAO

GLYGLY

PAO

GLY

AA

APHA

A X

XXK

XX

SKSq

dtdS

⋅+

⋅+

⋅=

GAO

GAO

GGLYGGLY

GAO

GGLY

AA

AGPHA

A X

XXK

XX

SKSq

dtdS

⋅+

⋅+

⋅=,

,

,

,


• Establecer los consumos de ácido acético para ambas poblaciones:

Según Henze: YPO4=0.40 mgP/mgDQO

Para 16 días: YPO4=0.26 mgP/mgDQO

•Consumo de glicógeno en función del tiempo



dtdS

YdtdS

dtdX A

SA

AGLY −⋅=1

dtdS

YdtdS

dtdX A

GSA

AGGLY −⋅=,

, 1

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

t (min.)

mg

DQ

O/L

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35

t (min.)

mg

DQ

O/L

0102030405060708090

0 10 20 30 40

t (min.)

mg

DQ

O/L

Evolución del ácido acético por las PAO

(TRC 16 días)

Evolución del ácido acético por las GAO

(TRC 16 días) 02468

1012141618

0 5 10 15 20 25

t (min.)

mg

DQO

/L

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35t (min.)

mg

DQ

O/L

05

101520253035404550

0 5 10 15 20 25 30 35

t (min.)

mg

DQ

O/L


T.R.C 16 días T.R.C 14 días

Parámetros Valor Parámetros Valor

Bacterias PAO

qPHA XPAO 3008 qPHA XPAO 2436

KA 1.02 KA 6.26

KGLY XPAO 0.80 KGLY XPAO 0.60

Bacterias GAO

qPHA,G XGAO 2295 qPHA,G XGAO 1698

KA 1.01 KA 6.26

KGLY,G XGAO 0.85 KGLY,G XGAO 0.70

• Procedimiento experimental• Biomasa a fase endógena • Ausencia total de aceptores de electrones• Introducir una cantidad conocida de ácido acético• Seguir evolución temporal concentración acético

hasta consumo total• Biomasa a condiciones aerobias• Registro velocidad de consumo de oxígeno y

concentración de fósforo

CALIBRACIÓN DE PARÁMETROSComportamiento aerobio de las PAO y GAO




3

2O

2

2O

1

2O2O

dtdS

dtdS

dtdS

dtdS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=−

PAO

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPPHA

PAO

PHA

PHA1

2O X

XXKK

XXK

XXK

XX

qYdt

dSPP

⋅⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−

( )PAO

PAO

PHAPHA

PAO

PHA

PAO

PAO

2

2O X

XXK

XX

YY1

dtdS

PAO⋅

+⋅µ⋅

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

( )PAO

PAO

GLYMGIG

PAO

GLYMG

PAO

PHAGLYPHA

PAO

PHA

GLY

GLY

3

2O X

XXKK

XXK

XXK

XX

qY

Y1dt

dSGLY

⋅⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−




2

2O

1

2O2O

dtdS

dtdS

dtdS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=−

( )GAO

GAO

G,PHAG,PHA

GAO

G,PHA

GAO

GAO

1

2O X

XXK

XX

YY1

dtdS

GAO⋅

+⋅µ⋅

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

( )GAO

GAO

G,GLYG,MGG,IG

GAO

G,GLYG,MG

GAO

G,PHAGLYG,PHA

GAO

G,PHA

G,GLY

G,GLY

2

2O X

XXKK

XXK

XXK

XX

qY

Y1dt

dSG,GLY

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅

−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−




PAO

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPPHA

PAO

PHA

4PO X

XXKK

XXK

XXK

XX

q)1(dt

dSPP

⋅⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅−=

−

0100200300400500600700800900

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5t (h)

OUR

(mg

O/d

ía)

05

1015

2025

3035

Fósf

oro

(mg

P/L)

OUR calculado OUR medido Sp calculado Sp medido

Ajuste del comportamiento aerobio de las PAO y GAO

(T.R.C. 16 días)


Bacterias PAO

YPAO 0.57 YPAO 0.59

YPHA 0.32 YPHA 0.32

YGLY 0.98 YGLY 0.99

µPAO XPAO 670 µPAO XPAO 585

KPHA XPAO 24 KPHA XPAO 21

KPHA-P XPAO 56 KPHA-P XPAO 49

qPP XPAO 2235 qPP XPAO 1893

KIPP XPAO 1.60 KIPP XPAO 0.07

KMAX XPAO 224 KMAX XPAO 188

qGLY XPAO 3040 qGLY XPAO 2784

KMG XPAO 207 KMG XPAO 174

KIG XPAO 24.0 KIG XPAO 0.48

KPHA-GLY XPAO 96 KPHA-GLY XPAO 77


Bacterias GAO

YGAO 0.58 YGAO 0.57

YGLY,G 0.97 YGLY,G 0.99

µGAO XGAO 680 µGAO XGAO 522

KPHA,G XGAO 26 KPHA,G XGAO 20

qGLY,G XGAO 1020 qGLY,G XGAO 770

KMG,G XGAO 340 KMG,G XGAO 255

KIG,G XGAO 26.0 KIG;G XGAO 0.45

KPHA,G-GLY XGAO 6.8 KPHA,G-GLY XGAO 5.8

CALIBRACIÓN DE PARÁMETROSTratamiento global de la información respirométrica

• La consideración conjunta de toda la información respirométrica permite calcular

• parámetros cinéticos de muerte (bi)• proporción de cada tipo de biomasa• resto de parámetros cinéticos

( )

( )

( )

( )

X

x

)f1('b

XXKK

XXK

XXK

XX

qY

Y1

XXK

XX

YY1

x

)f1('b

XXKK

XXK

XXK

XX

qY

Y1

XXK

XX

YY1

XXKK

XXK

XXK

XX

qY

x)f1('bSK

SY

Y57.4

x)f1('bSK

SY

Y1

r

GAO

pGAO

GAO

G,GLYG,MGG,IG

GAO

G,GLYG,MG

GAO

G,PHAGLYG,PHA

GAO

G,PHA

G,GLY

G,GLY

GAO

G,PHAG,PHA

GAO

G,PHA

GAO

GAO

PAO

pPAO

PAO

GLYMGIG

PAO

GLYMG

PAO

PHAGLYPHA

PAO

PHA

GLY

GLY

PAO

PHAPHA

PAO

PHA

PAO

PAO

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPPHA

PAO

PHA

PHA

ApANHNH

NHA

A

A

HpHSs

SH

H

H

G,GLY

GAO

GLY

PAO

PP

⋅

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⋅

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⋅

+

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅

−

+⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+⋅µ⋅

−

+⋅

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⋅

+⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅

−

+⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

+⋅µ⋅

−

+⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+

−⋅

+⋅⋅

+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+

+⋅µ⋅

−

+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+

+⋅µ⋅

−

=

−

−

−

)f1(Y1'bb

pH

ii −⋅−=

Henze (1987)

CALIBRACIÓN DE PARÁMETROSResultados obtenidos

ValorParámetro

T.R.C 16 (días) T.R.C 14 (días)

Unidades

Bacterias PAO

YSA 0.75 0.75 g DQO/g DQO

YPO4 0.40 0.40 g P/g DQO

YPHA 0.32 0.32 g DQO/g P

YPHA,NO 0.57 0.57 g DQO/g P

YPAO 0.57 0.59 g DQO/g DQO

YPAO,NO 0.46 0.48 g DQO/g DQO

YGLY 1 1 g DQO/g DQO

YGLY,NO 1 1 g DQO/g DQO

qPHA 3.7 3.5 g DQO/(g PAO.día)

KA 1.02 6.26 g DQO/m3

KGLY 0.001 0.0008 g DQO/ g PAO

qPP 2.8 2.7 g PP/(g PAO.día)

KPHA-P 0.07 0.07 g PHA/g PAO

KMAX 0.28 0.27 g PP/g PAO

ValorParámetro


Unidades

Bacterias PAO

KIPP 0.0020 0.0001 g PP/g PAO

KPHA 0.03 0.03 g PHA/g PAO

µPAO 0.84 0.84 día-1

ηPAO * 0.48 -

qGLY 3.81 4.00 g DQO/(g PAO.día)

KPHA-GLY 0.12 0.11 g PHA/g PAO

KMG 0.26 0.25 g DQO/g PAO

KIG 0.0300 0.0007 g DQO/g PAO

bPAO 0.08 0.08 día-1

bPP 0.08 0.08 día-1

bPHA 0.08 0.08 día-1

bGLY 0.08 0.08 día-1

ValorParámetro


Unidades

Bacterias GAO

YSA,G 0.75 0.75 g DQO/g DQO

YGAO 0.58 0.57 g DQO/g DQO

YGLY,G 1 1 g DQO/g DQO

YGLY,GNO 1 1 g DQO/g DQO

qPHA,G 2.7 2.6 g DQO/(g GAO.día)

KA 1.01 6.26 g DQO/m3

KGLY,G 0.001 0.001 g DQO/ g GAO

µGAO 0.80 0.80 día-1

KPHA,G 0.03 0.03 g PHA/g GAO

ηGAO * 0.00 -

qGLY,G 1.20 1.18 g DQO/(g GAO.día)

KPHA,G-GLY 0.008 0.009 g PHA/g GAO

KMG,G 0.40 0.39 g DQO/g GAO

KIG,G 0.0300 0.0007 g DQO/g GAO

bGAO 0.08 0.08 día-1

bPHA,G 0.08 0.08 día-1

bGLY,G 0.08 0.08 día-1

CALIBRACIÓN DE PARÁMETROSDiscusión de los resultados

• El valor de YPAO (0.58 gDQO/gDQO) de las bacterias acumuladoras de polifosfatos, es coherente con los resultados obtenidos en diferentes trabajos encontrados en la bibliografia (Henze, 1995; Mino, 1995; Maurer y Gujer, 1998). (≈YGAOe YH). 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.

• El valor de la velocidad máxima de crecimiento de la biomasa PAO (µPAO=0.84 día-1), es muy cercano al valor propuesto en el modelo ASM2 (µPAO=1.0 día-1). Además, es ligeramente mayor que el valor de la velocidad máxima de crecimiento de la biomasa GAO (µGAO=0.80 día-1). Este hecho concuerda con el aumento del 2 % en la población PAO y con la disminución de un 1 % de la población GAO observados al disminuir el tiempo de retención celular de 16 a 14 días. ( Concordancia con Fukase (1985))


• Los valores de KMAX (0.28 y 0.27) están dentro del intervalo habitual de 0.26 a 0.34 para los cultivos puros (Smolders, 1994; Henze, 1995; Filipe, 1998). Consistentes con el metabolismo de estos organismos que el obtenido (0.136) en el proceso de calibración del modelo ASM2.

• La velocidad máxima de almacenamiento de PHA obtenida para las bacterias PAO (qPHA=3.6 gDQO/(g PAO.día)) es mayor que la obtenida para las bacterias GAO (qPHA=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.


• El valor obtenido del 48 % (ηPAO=0.48) sugiere que el proceso de desnitrificación llevado a cabo por estas bacterias contribuye significativamente a la eliminación biológica de fósforo en los sistemas de eliminación biológica de nutrientes. (Consistente con el resultado del 50% obtenido por Kuba (1997b) en un experimento en discontinuo realizado con fangos procedentes de una planta de tratamiento a escala real).

Implica que en condiciones anóxicas, existe una competencia directa entre las bacterias PAO y las heterótrofas no acumuladoras por el nitrato (aceptor de electrones).


• Los resultados obtenidos en la calibración muestran que las bacterias acumuladoras de glicógeno son incapaces de llevar a cabo los procesos de desnitrificación (ηGAO=0). Este resultado está en concordancia con un estudio de tipo microbiológico desarrollado por Blackall (1997), donde las bacterias GAO no tuvieron la capacidad de reducir el nitrato a nitrógeno gaseoso. Por lo tanto, puede decirse que un tanque anóxico, es anaerobio desde el punto de vista del metabolismo de las bacterias GAO.

Implica que en los sistemas de fangos activados para la eliminación biológica conjunta de nitrógeno y fósforo, las bacterias PAO están favorecidas en las zonas anóxicas con respecto a las bacterias GAO.


• Los resultados obtenidos en los valores de los parámetros estequiométricos YGLY , YGLY,G , YGLY,NO y YGLY,GNO (1 gDQO/g DQO, para cada uno de ellos) supone que, en ambas poblaciones, el proceso de almacenamiento de glicógeno no requiere consumo de oxígeno ni de nitrato. Por lo tanto, el proceso de síntesis del glicógeno no requiere aporte externo de energía.

Esto supone que el proceso de síntesis de glicógeno se puede modelar como un proceso sencillo de transformación de PHA a glicógeno.

VALIDACIÓN DE LA METODOLOGÍA DE CALIBRACIÓN

• 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)

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) 2286 2243 2047 1862 2054 2016

SSV(mg SSV/L) 1709 1663 1410 1252 1499 1445

DQO total

(mg DQO/L)

2743 2568 2271 1935 2526 2233

Fósforo soluble

(mg P/L)

28.3 27.8 24.9 24.5 30.1 30.6

Amonio (mg N/L) 9.8 11.3 15.5 12.1 11.5 14.8

Nitrato (mg N/L) <0.2 0.0 0.7 0.0 0.8 0.0



Reactor anóxico


Valor

Medido

Valor

Simulado

Valor

Medido

Valor

Simulado

Valor

Medido

Valor

Simulado

SST(mg SST/L) 3154 3362 2732 2783 2929 3019

SSV(mg SSV/L) 2308 2443 1850 1832 2112 2116

DQO total

(mg DQO/L)

3744 3767 2710 2827 3226 3265

Fósforo soluble

(mg P/L)

22.2 21.7 20.5 20.9 26.0 25.6

Amonio (mg N/L) 8.8 8.4 14.8 9.9 11.1 11.8

Nitrato (mg N/L) <0.2 0.2 0.8 0.2 0.9 0.2


Reactor aerobio


Valor

Medido

Valor

Simulado

Valor

Medido

Valor

Simulado

Valor

Medido

Valor

Simulado

SST(mg SST/L) 3236 3400 2766 2817 2992 3066

SSV(mg SSV/L) 2298 2418 1822 1802 2081 2086

DQO total

(mg DQO/L)

3730 3723 2733 2776 3203 3213

Fósforo soluble

(mg P/L)

2.5 2.1 0.4 0.3 1.9 1.0

Amonio (mg N/L) <1.5 0.1 <1.5 0.1 <1.5 0.1

Nitrato (mg N/L) 7.8 7.2 9.6 8.6 15.0 10.2

DQO soluble

(mg DQO/L)

40 47.2 28 32.8 35 33.9


Discusión

• La excelente concordancia entre los valores simulados y los experimentales (régimen estacionario) junto con la bondad de los ajustes de los resultados experimentales de los ensayos de calibración a las ecuaciones del modelo (régimen transitorio) supone la validación tanto del procedimiento de calibración llevado a cabo para ambas poblaciones (PAO y GAO) como del modelo propuesto.

• Para unas condiciones de temperatura y pH dadas, utilizando un único vector de parámetros cinéticos y estequiométricos, ha sido capaz de simular los valores experimentales obtenidos en planta piloto bajo tres diferentes tiempos de retención celular, cada uno de ellos con tres diferentes características del agua residual influente.


• La buena concordancia entre los valores de la concentración de fósforo simulados y los experimentales en ambos reactores (anóxico y anaerobio) supone la validación de los procesos de desnitrificación propuestos para la biomasa PAO.

• Probablemente, la presencia en una proporción elevada de bacterias acumuladoras de glicógeno en el sistema, para las edades del fango consideradas, se debió a un exceso de ácido acético en el agua residual influente que causó una baja relación de fósforo a carbono (P/C) en el influente.

• 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.

VENTAJAS DEL MODELO

• La principal ventaja del modelo propuesto es que se ha desarrollado con un mayor grado de detalle que el modelo ASM2. El trabajo experimental para el modelo propuesto es el mismo que el del modelo ASM2.

• Otra ventaja del modelo propuesto es que utiliza los mismos procedimientos experimentales para la caracterización del agua residual influente que la del modelo No. 2. No requiere un esfuerzo mayor en esta caracterización.

• Para las condiciones de temperatura y pH consideradas, los valores obtenidos para los parámetros cinéticos y estequiométricos de las bacterias PAO y de las bacterias GAO son inherentes a la biomasa.

el modelo propuesto representa de una manera más aproximada a la realidad la dinámica que se sucede en los sistemas de fangos activados con eliminación biológica de nutrientes, sin necesidad de incrementar el trabajo experimental.

CONCLUSIONES

• El modelo matemático general propuesto para la eliminación biológica de nutrientes en los sistemas de fangos activados, 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.

• Para representar los sistemas de fangos activados con eliminación biológica de nutrientes es necesario considerar las siguientes poblaciones: heterótrofas que efectúan los procesos de fermentación, desnitrificación y crecimiento aerobio, autótrofas que efectúan los procesos de nitrificación, bacterias acumuladoras de polifosfatos que efectúan los procesos de desnitrificación y crecimiento aerobio, y bacterias acumuladoras de glicógeno que efectúan los procesos de crecimiento aerobio.

CONCLUSIONES

• La metodología de calibración desarrollada para la determinación de los parámetros del modelo propuesto ha permitido obtener un conjunto de valores de los parámetros con el que ha sido posible reproducir los resultados experimentales, tanto en régimen estacionario como transitorio.

• Es posible llevar a cabo la calibración del modelo propuesto utilizando los mismos ensayos experimentales que se requieren para la calibración del modelo ASM2, complicando únicamente el tratamiento matemático de la información.

UNIVERSIDAD DEL NORTE

GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TECNOLOGÍAS DEL AGUA

ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES EN LOS SISTEMAS DE FANGOS ACTIVADOS.

Barranquilla, 2005.

Eliminacion Biologica de Nutrientes

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