MODELIZADO Y SIMULACION DE PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS
Luis Larrea
CEIT y Tecnun (Universidad de Navarra).San Sebastian
¿Qué es un simulador?
Programa informático que describe comportamientos estacionarios y dinámicos de un conjunto de procesos unitarios que componen una parte o el total de una planta depuradora.
Ejemplos de procesos unitarios
•Proceso de fangos activos con sus
múltiples variantes
•Decantación primaria y secundaria
•Tratamiento físico-químico
•Fermentación ácida
•Adición de sustrato
•Espesamiento y flotación
•Digestión aeróbia
•Digestión anaeróbia
Modo de predicción
Integración numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales que describen las
características del efluente de cada uno de los procesos unitarios en función de las
características del influente y de las condiciones de diseño y operación.
Cada ecuación diferencial es el balance másico en el proceso unitario para cada
uno de los parámetros que se desea describir.
Incluye términos de transporte del parámetro y ecuación de transformación del
mismo basada en modelo matemático de comportamiento.
EJEMPLOS
Depósito de homogenización
V
C1
Q
CO
Q
C1
1
1 CQCQdt
CdV
O−=
� Balance reactor
� Balance sedimentador
SWROwRROOEVSQQQSQSQSQ
dt
SdV ..)(.
111
1
1+−+−−+=
XWROwRROEVXQQQSQXQOQ
dt
XdV ..)(.
111
1
1+−+−−+=
RRWOWROSQSQQSQQQ
dt
SdV .)()(
21
2
2−−−−+=
RRWROXQXQQQ .)(
1=−+
V1
S1,X1
V2
QO
SO
QR , SR , XR
QO -QW , S2
QW
S1, X1
Proceso de Fangos activos
Proceso/Componente S X O Cinética
Utilización de sustrato -1 YH -(1-YH )
Respiración endógena -1 -(1-f) bHX
Ecuaciones de transformación
S XO2 O2
XbXSK
SKYE
H
S
Hx⋅−⋅
+⋅= 1
XbfXSK
SKYOUR
XSK
SKE
H
s
H
s
s
⋅−+⋅+
−=
⋅+
⋅−=
)1()1(
1
XSK
SK
s
⋅+
Pasos para efectuar una simulación
� Dibujar diagrama de procesos unitarios considerados y flujos de interconexión
� Selección de modelos con los coeficientes respectivos
� Introducción de parámetros de entrada y condiciones de diseño y operación
Modos de simulación
� Estacionaria. A partir de valores medios
� Dinámica. Variabilidad horaria y/o diaria
Modos de presentación
� Tablas de resultados finales
� Gráficas de evolución temporal de los parámetros
Otras posibilidades
� Introducción de algoritmos de control
� Aplicación de técnicas de optimización matemática
� Análisis de sensibilidad
� Estructura del modelo. Combinar simplicidad y capacidad predictiva
� Hidraúlica en los procesos unitarios
� Delimitación de valores de los coeficientes de los modelos
Calibración
Factores que limitan la validez de las predicciones
� Se recomienda disponer de modelo suficientemente calibrado.
� Empleo de simulación estacionaria.
� Proceso iterativo de simulaciones para determinar los parámetros de diseño y operación óptimos de cada uno de los procesos unitarios que permiten alcanzar los requerimientos prefijados.
� Resulta en una información completa de flujos de contaminantes (DBO, N, P...) y de SST.
� Requiere conocimientos sólidos del funcionamiento de los procesos.
Aplicación a Diseño de plantas
Requiere:� Delimitar el grado de información sobre características del influente y
efluente de los procesos unitarios y de sus condiciones de diseño y operación.
� Calibrar los modelos a partir del ajuste de simulaciones a resultados experimentales.
Objetivos:Mediante simulación estacionaria:� Previsión de estrategias operacionales a medio-largo plazo.
� Determinación de capacidades de tratamiento de los procesos unitarios.
� Remodelación de plantas.
Mediante simulación dinámica horaria-diaria:
� Diagnóstico del estado instantáneo de los procesos unitarios.
� Definición de estrategias operacionales a corto plazo.
Aplicación a plantas existentes
Caracterización de la materia orgánica influente
Tabla I.1 Ejemplo de fraccionamiento de la DQO influente de un agua residual urbana sedimentada
Valores medios (g/m3) Rangos típicos de fracciones
de DQO (%)
Fraccionamiento de DQO
(g/m3)
DQOT = 300 FSI0 = 5 - 10 SI0 = 30
SST = 100 FSS0 = 10 - 25 SS0 = 45
DQO part.estim.=160 FXI0 = 10 - 15 XI0 = 45
DQOF estimada = 140 FXBH0 = 5 - 15 XBH0 = 30
FXS0 = 30 - 60 XS0 = 150
soluble = 65
particulado = 85
Estequiometría y cinéticas
SS XBH XP
XS
1 3
2
Componentes
Reacciones
XBH XP XS SS S0 Cinéticas ρj
1
Crecimiento
Aerobio de XBH
1
2
Hidrólisis
Aerobia de XS
-1 1
3
Desaparición de
XBH
-1 fp 1-fp bHXBH
HY
1−
H
H
Y
Y1−−
BH
0OH
0
SS
S
HX
SK
S
SK
Sˆ
++µµµµ
BH
0OH
0
BHSX
BHS
HX
SK
S
X/XK
X/XK
++
Estequiometría y cinéticas
Reacción 1. Crecimiento aerobio de heterótrofos
Hµ̂µµµ
Hˆ
21 µµµµ
KS
SS
SHH
SK
S
+= µµ ˆ
SS
Hµµµµ
Hµ̂µµµ
: Tasa de crecimiento de heterótrofos
: Tasa específica máxima de crecimiento de heterótrofos
KS: Constante de saturación media
Reacción 2. Hidrólisis de Sustrato lentamente biodegradable
BHSX
BHS
HX/XK
X/XK
+
BHSX/X
XK
HK
½ KH
KH : Tasa específica máxima de hidrólisis aerobia
KX : Constante de saturación media
ECUACIONES DE TRANSFORMACIÓN
Balance en XbH Reactor discontinuo
Balance en SS
Balance en XS
Balance en XP
Balance en S0
31
3
BH)díam/g(RX ρρρρρρρρ −=⋅
dt
XdBH=
1
H
2
3
SS
Y
1)díam/g(R ρρρρρρρρ −=⋅
23P
3
XS)f1()díam/g(R ρρρρρρρρ −−=⋅
3P
3
XPf)díam/g(R ρρρρ=⋅
1
H
H3
0
Y
Y1)díam/g(OURR ρρρρ
−−=⋅=
dt
SdS=
dt
XdS=
dt
XdP=
El balance másico se resume en:
Ai = Ii + Ei + Ri
Ai = tasa de acumulación del componente “i” en el reactor
Ii = caudal másico del componente “i” influente al reactor
Ei = caudal másico del componente “i” efluente del reactor
Ri = tasa de transformación del componente “i” en el reactor
Aplicación a proceso continuo de fangos activos con mezcla completa
Ecuaciones para el proceso de fangos activos con mezcla completa
V2(2)
Qw
V(1)
(Q0-QW)
Q0
(Q0+QR)
QR(3)
BALANCES EN TANQUE DE AERACIÓN
1S11SR01SW3SR0S01S
1 RSVS)QQ(SQSQSQdt
dSV ++−−+=
1S11SR01SW3SR0S01S
1 RXVX)QQ(XQXQXQdt
dXV ++−−+=
1BH11BHR01BHW3BHR0BH01BH
1 RXVX)QQ(XQXQXQdt
dXV ++−−+=
0S)QQ(SQSQSQdt
dSV 1IR01IW3IR0I0
1I1 ++−−+=
1p11pR01pW3pR0p0
1p
1 RXVX)QQ(XQXQXQdt
dXV ++−−+=
0X)QQ(XQXQXQdt
dXV 1IR01IW3IR0I0
1I1 ++−−+=
)SS(KVS)QQ(SQSQSQdt
dSV 01SAT0LA101R001W03R000
011 −++−−+=
XV1(DQO)=XBH1+XS1+Xp1+XI1
XV1(SSV)=XVI/fCV fCV=1.48 g DQO/g SSV
XT1(SST)=XV1/fi fi=g SSV/gSST
BALANCES EN SEDIMENTADOR SECUNDARIO
Material soluble
0SQS)QQ(S)QQ(dt
dSV
3SR2SW01SR0
2S
2+−−−+=
0SQS)QQ(S)QQ(dt
dSV
3IR2IW01IR0
2I
2+−−−+=
Materia particulada (hipótesis de régimen estacionario)
(Q0 + QR) XT1 = QR XT3
Se mantienen fracciones Xj1 / XT1
NITRIFICACIÓN Y DESNITRIFICACIÓN
Caracterización del nitrógeno Kieldahl total (TKN)
Valores medios
(gN/m3)
Fracciones de
Nitrógeno orgánico
N/DQO (%)
Fraccionamiento
Norg
N-NO3 ≈ 1 iSS = 2 - 4 SND = 1.4
TKN = 34
(DQO/TKN=8,8)
iSI= 1 - 2 SNI = 0.6
N-NH4 = 25 iXS: 2 - 4 XND = 4.5
Norg = 9 iXi =1 - 3 XNI = 0.5
iXB : 6 - 8 XNB = 2
Tabla II.2 Matriz de estequiometría
Componente
Proceso
SS XS XBH XBA XP S0 SNO SNH SND XND SALK Cinéticas
de reacción
1 Crecimiento
aerobio de
heterótrofosHY
1− 1
H
H
Y
Y1−− -iXB 14
iXB− R1
3 Crecimiento
aerobio de
autótrofos
1
A
A
Y
Y57.4 −−
AY
1-iXB-
AY
1 14
iXB−
AY7
1−
R3
4 Desaparición de
heterótrofos
1-fp -1 fp iXB-fpixp R4
5 Desaparición de
autótrofos
1-fp -1 fp iXB-fpixp R5
6 Amonificación
de SND
1 -1
14
1R6
7 Hidrólisis de XS 1 -1 R7
8 Hidrólisis de
XND
1 -1 R8
Tabla III.1 Matriz de estequiometría
Componente
Proceso
SS XS XBH XBA XP S0 SNO SNH SND XND SALK Cinéticas
de
reacción
1 Crecimiento
aerobio de
heterótrofosHY
1− 1
H
H
Y
Y1−− -iXB 14
i XB−
R1
2 Crecimiento
anóxico de
heterótrofosHY
1− 1
H
H
Y86.2
Y1−− -iXB
H
H
Y86.214
Y1
⋅
−
14
i XB−
R2
3 Crecimiento
aerobio de
autótrofos
1
A
A
Y
Y57.4 −−
AY
1-iXB-
AY
1 14
i XB−
AY7
1−
R3
4 Desaparición de
heterótrofos
1-fp -1 fp iXB-fpixp R4
5 Desaparición de
autótrofos
1-fp -1 fp iXB-fpixp R5
6 Amonificación
de SND 1 -1 14
1R6
7 Hidrólisis de XS 1 -1
R7
8 Hidrólisis de
XND 1 -1 R8
Crecimiento
aerobio de
autótrofos
RS
K S
S
K SXA
NH
NH NH
O
O A O
B A3 =+
+
$
,
,µ
Desaparición
de autótrofos
R b XA BA5 =
Hidrólisis de
nitrógeno
particulado
R8 = R7·(XND/XS)
Amonificació
n de N
orgánico
soluble
R6 = KA·SND·XBH
Tabla II.3 Cinéticas relacionadas con la nitrificación
Tabla III.2 Cinéticas relacionadas con la desnitrificación
Crecimiento anóxicode heterótrofos
H,Bg
NONO
NO
OH,O
H,O
SS
S
HX
SK
S
SK
K
SK
Sˆ2R η
+
+
+µ=
Hidrólisis de XS H,B
NONO
NO
OH,O
H,O
h
OH,O
O
H,B
SX
H,B
S
hX
SK
S
SK
K
SK
S
XX
K
XX
k7R
++η+
+
+
=
RANGO DE VALORES TÍPICOS DE LOS COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS Y CINÉTICOS EN EL MODELO Nº 1
COEFICIENTES ESTEQUIOMETRICOSYH
YA
fp
LXB
iXP
0.5 – 0.7 g DQO biom. (g DQO util.)-1
0.2 – 0.3 g DQO biom. (g N util.)-1
0.080.06 – 0.08 gN (g DQO)-1
0.05 – 0.07 gN (g DQO)-1
COEFICIENTES CINETICOS (20ºC)µµµµH 3 – 6 d-1
KS 2 – 10 g DQO m-3
KH 2 – 3 g DQO (gDQO biom..d)-1
KX 0.02-0.03 g DQO (gDQO biom.)-1
bH 0.5 – 0.7 d-1
µµµµA 0.4 – 0.8 d-1
KNH 0.5 – 1 g NH4-N m-3
bA 0.1 – 0.15 d-1
KA 0.03-0.08 m3 (g DQO biom.d)-1
ηηηηH 0.3 – 0.8ηηηηG 0.6 - 1
COEFICIENTES DE FUNCIONES DE CAMBIOKOH
KOA
KNO
0.1– 0.3 g O2 m-3
0.2– 0.6 g O2 m-3
0.1- 0.5 g NO3 – N m-3
EFECTO DE TEMPERATURAKi,T = Ki,20 θθθθ (T-20)
(Constantes de Arrhenius)θθθθ
µµµµH 1.05-1.2KS 1.0KH 1.05-1.1KX 0.9-1.05bH 1.03-1.1µµµµA 1.07-1.13
KNH 1.07-1.13bA 1.03-1.10KA 1.03-1.07
1. Hidrólisis aerobia de XS
2. Hidrólisis anóxica de XS
3. Hidrólisis anaerobia de XS
4. Crecimiento aerobio de XH sobre SF
5. Crecimiento aerobio de XH sobre SA
6. Desnitrificación anóxica sobre SF
7. ´Desnitrificación anóxica sobre SA
8. Fermentación anaerobia de SF
9. Lisis de XH
10. Almacenamiento de XPHA
11. Acumulación aerobia de XPP
12. Crecimiento aerobio de XPAO
13. Lisis de XPAO
14. Lisis de XPP
15. Lisis de XPHA
16. Crecimiento aerobio de nitrificantes
17. Lisis de nitrificantes
Modelo conceptual de ASM2 para eliminación de N y P
NOMBRE AplicaciónAcadémica
AplicaciónIndustrial
Aquasim X EAWAG
AS40 X X Aquasystem
ASIM X EAWAG
Biosim X X Envirosim
BioWin X X
Daisy (EDAR) X X CEIT/Cadagua
Dario X CEIT/Cadagua
EFOR X X EFOR Aps
GPS-X X X Hydromantis
Simba X X Otterpohl W GbR
Simworks X X Hydromantis
STOAT X WRC
SSSP X Prof. Grady
UCT X X Prof. Ekama
WEST X X Hemmis
Plataformas de simulación
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