Manual desass 7.1

MANUAL DESASS 7.1.

1. Introducción ....................................................................................................................................... 1 1.1. Características importantes ......................................................................................................... 2 1.2. Aplicaciones ................................................................................................................................ 3 2. Modelo biológico ............................................................................................................................... 4 2.1. Componentes del modelo ............................................................................................................ 6 2.1.1. Componentes solubles, S ..................................................................................................... 6 2.1.2. Componentes particulados, X .............................................................................................. 8 2.2. Ecuaciones de continuidad ........................................................................................................ 11 2.3. Procesos cinéticos ..................................................................................................................... 14 2.4. Procesos gobernados por el equilibrio ...................................................................................... 26 2.5. Valores de los parámetros del modelo ...................................................................................... 28 3. Modelo matemático de los procesos de sedimentación ................................................................... 36 3.1. Modelo de flujo unidimensional ............................................................................................... 37 3.1.1. Velocidad de sedimentación zonal..................................................................................... 38 3.1.1.1. Sedimentabilidad de los fangos .................................................................................. 39 3.1.2. Expresión general de la velocidad de sedimentación ........................................................ 41 3.1.2.1. Sedimentación floculada ............................................................................................. 41 3.1.3. Efecto de las zonas de transición y compresión del fango................................................ 45 3.2. Implementación del modelo ...................................................................................................... 47 3.2.1. Modelo biológico del decantador....................................................................................... 49 4. Programa Desass .............................................................................................................................. 50 4.1. Generalidades ............................................................................................................................ 50 4.2. Ventana principal ...................................................................................................................... 50 4.2.1. Barra de menú .................................................................................................................... 52 4.2.2. Línea de botones ................................................................................................................ 58 4.3. Modos de operación de cálculo................................................................................................. 61 4.4. Características del agua residual influente ................................................................................ 62 4.5. Condiciones de vertido ............................................................................................................. 67 4.6. Presentación de resultados ........................................................................................................ 68 4.6.1. Pantallas de resultados ....................................................................................................... 69 4.6.2. Representaciones gráficas .................................................................................................. 70 4.6.3. Líneas de unión .................................................................................................................. 73

4.7. Validación de elementos ........................................................................................................... 74 4.8. Resolución por bucles ............................................................................................................... 75 4.9. Cálculo de los distintos elementos de tratamiento .................................................................... 78 4.9.1. Decantador primario .......................................................................................................... 78 4.9.1.1. Optimización del diseño de esquemas para la producción de ácidos volátiles ........... 81 4.9.1.2. Control de la altura de fangos ..................................................................................... 83 4.9.2. Decantador secundario ....................................................................................................... 85 4.9.3. Reactor de fangos activados............................................................................................... 87 4.9.4. Fermentador ....................................................................................................................... 95 4.9.5. Espesador ........................................................................................................................... 98 4.9.6. Digestor aerobio ................................................................................................................. 99 4.9.7. Digestor anaerobio ........................................................................................................... 101 4.9.8. Depósito tampón .............................................................................................................. 103 4.9.9. Deshidratación mecánica ................................................................................................. 104 4.9.10. Nudo ............................................................................................................................... 106 4.9.11. Soplante.......................................................................................................................... 106 4.9.12. Añadir reactivos ............................................................................................................. 109 4.9.13. Reactor Batch ................................................................................................................. 111 4.9.14. Bioreactor de Membranas .............................................................................................. 117 4.9.15. Reactor anaerobio de membranas .................................................................................. 120 4.9.16. Reactor BABE ............................................................................................................... 122 4.9.17. Reactor SHARON .......................................................................................................... 125 4.10. Maquinaria auxiliar ............................................................................................................... 127 4.11. Control del sistema de aireación ........................................................................................... 129 4.11.1. Generalidades ................................................................................................................. 130 4.11.2. Sistema de control .......................................................................................................... 131 4.11.3. Aplicación en DESASS ................................................................................................. 132 5. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................... 138

1. INTRODUCCIÓN DESASS (DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems) es un simulador de estaciones depuradoras configurado bajo Windows, diseñado y optimizado para la investigación de procesos de tratamiento de aguas residuales, la evaluación de sistemas de tratamiento existentes, la operación de entrenamiento de personal y para propósitos educativos, con un particular énfasis en la velocidad de cálculo, presentación gráfica y fácil manejo. El programa tiene implementado un algoritmo de modelación matemática que representa una ampliación del modelo de eliminación biológica de nutrientes nº 1 (Biological Nutrient Removal Model, No.1 ampliado, BNRM1 ampliado; Seco et al., 2004a) desarrollado por el grupo de investigación CALAGUA. Este modelo considera los procesos incluidos en el modelo de fangos activados número 2d de la IAWQ (Activated Sludge Model No. 2d, ASM2d; Henze et al., 1999), los procesos necesarios para representar de forma simplificada el tratamiento de digestión anaerobia y las reacciones químicas ácido base para calcular el pH (Serralta et al.,2004). Asimismo, el programa tiene implementado un modelo de sedimentación (Ribes et al.,2002) acoplado al modelo biológico que permite simular los procesos biológicos que tienen lugar en decantadores primarios, secundarios y espesadores. El modelo también incluye los procesos realizados por las bacterias sulfato reductoras, los procesos de precipitación y redisolución de distintos compuesto (Barat et al., 2004) y la separación de los procesos de nitrificación y desnitrificación en dos etapas (Jimenez et al., 2010). DESASS trabaja en un entorno intuitivo y permite evaluar una gran diversidad de sistemas de tratamiento, pudiéndose representar desde esquemas tan sencillos como un proceso de oxidación total para la eliminación de materia orgánica hasta esquemas de tratamiento mucho más complejos diseñados para la eliminación biológica de nitrógeno y fósforo en los que se incorporan los tratamientos de digestión de fangos. Diseñado para un rápido y fácil uso, el programa posee muchas herramientas que permiten la realización de análisis de sensibilidad y la comparación de múltiples condiciones de operación. DESASS permite a Ingenieros y operadores experimentar en un amplio intervalo de condiciones de sistemas de fangos activados, controlar las consecuencias de la modificación de las condiciones de operación, así como realizar estudios de sensibilidad sobre el proceso.

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1.1. Características importantes Las principales características de DESASS se enumeran a continuación: • Permite diseñar, simular y optimizar estaciones de tratamiento en su globalidad, puesto que están considerados la mayoría de procesos físicos químicos y biológicos que tienen lugar. • Simula una gran variedad de configuraciones de plantas permitiendo fijar los volúmenes, dimensiones, caudales y concentraciones que van desde plantas de experimentación (piloto), hasta plantas de gran tamaño. • Calcula las dimensiones y el funcionamiento de la planta en condiciones estacionarias y permite la simulación dinámica de variaciones de cargas (variación de carga en el agua residual influente, modificaciones en los caudales de recirculación y/o purga…), así como la introducción de condiciones iniciales en los reactores de fangos activados, en régimen transitorio. •

Consideración simultánea de varios esquemas de tratamiento en serie o en paralelo,

obteniéndose una mayor flexibilización en las configuraciones de plantas. • DESASS es multiejecutable, es decir se puede ejecutar varias veces al mismo tiempo, permitiendo una rápida comparación de las diferentes alternativas de operación simuladas. • Permite representar gráficamente tanto en régimen estacionario como en régimen transitorio, la evolución de las variables involucradas en los distintos procesos de tratamiento. Entre éstas se incluyen las concentraciones en los diferentes elementos de tratamiento de los componentes considerados en el modelo incluyendo la variación en función de la altura en los decantadores primarios, secundarios y espesadores. • Comparación inmediata de resultados para condiciones de verano e invierno, en régimen estacionario. • Rapidez en el cálculo numérico, tanto para régimen transitorio como estacionario.

•

Diseño de los sistemas de aireación, mediante tres tipos de maquinarias (Difusores,

Turbinas, Venturi radiales). • Incluye un módulo para la actualización de la base de datos de los sistemas de aireación.

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• Contiene un módulo de control de las concentraciones de oxígeno disuelto en reactores de fangos activados y digestores aerobios basado en lógica difusa. • Permite exportar los resultados mostrados en las pantallas de resultados a un archivo Excel.

1.2. Aplicaciones DESASS está siendo utilizado con éxito en diferentes aplicaciones relacionadas con el tratamiento de aguas residuales. A continuación se describen algunas de estas aplicaciones: • Diseño de nuevas plantas de tratamiento: DESASS puede utilizarse para el diseño de estaciones depuradoras que incluyan sistemas de fangos activados con eliminación biológica de nutrientes, digestión aerobia o anaerobia de fangos, precipitación química de fósforo… Además pueden estudiarse diversos modos de operación en función del caudal, la época del año… (Seco et al., 2004b). • Mejora y optimización de plantas de tratamiento existentes: Para la optimización de las EDAR existentes se debe realizar una calibración previa de los parámetros del modelo para conseguir que las simulaciones se ajusten más a la realidad. La calibración del modelo puede realizarse mediante ensayos discontinuos de laboratorio (off-line) utilizando biomasa de la planta real y el ajuste de las predicciones del modelo a los datos históricos de la planta. Tras la calibración de los distintos grupos de bacterias presentes en el sistema, es posible detectar funcionamientos alejados del óptimo y proponer mejoras en la operación de la planta (Ferrer et al., 2004) • Enseñanza y entrenamiento de personal: Este programa es muy útil para visualizar el funcionamiento completo de una estación depuradora teniendo en cuenta las interacciones en la corriente principal de las recirculaciones a cabeza de planta. Además los operadores de planta pueden simular diferentes alternativas de operación y acciones de control ante cambios en el caudal o la composición del agua de entrada. • Ensayo de nuevos esquemas de tratamiento por simulación: La simulación de los procesos biológicos para todas las condiciones ambientales (aerobias, anóxicas y anaerobias) unido a la posibilidad de combinar de forma libre reactores de tanque agitado con digestores anaerobios y unidades de sedimentación permite la utilización de DESASS para el ensayo de nuevos esquemas de tratamiento. Esta aplicación es especialmente útil para la eliminación de materia orgánica y nutrientes en las aguas residuales industriales. 3

• Docencia: Este programa se está empleando en distintas universidades y centros para el desarrollo de los conocimientos de los alumnos. Se utiliza dentro de los distintos programas de grado y de postgrado.

2. MODELO BIOLÓGICO DESASS tiene implementado el modelo de eliminación biológica de nutrientes nº 1 (Biological Nutrient Renoval Model, No.1, BNRM1; Seco et al., 2004). La filosofía con la que se ha desarrollado este modelo consiste en la utilización de un único modelo para representar los procesos físicos, químicos y biológicos más importantes que tienen lugar en las estaciones depuradoras. Por lo tanto, el modelo BNRM1 ampliado puede utilizarse para diseñar y simular todas las operaciones básicas de una EDAR, permitiendo tener en cuenta los efectos combinados de los diferentes procesos de tratamiento. De esta forma el funcionamiento global de la EDAR puede ser optimizado. El modelo considera los procesos físicos, químicos y biológicos más importantes que tienen lugar en una EDAR. Los procesos físicos considerados son: procesos de sedimentación y clarificación (sedimentación floculada, zonal y compresión), elutriación de los ácidos grasos volátiles y procesos de transferencia de materia entre las fases líquida y gaseosa. Los procesos químicos considerados comprenden las principales reacciones ácido base, asumiendo condiciones de equilibrio químico local e instantáneo para estos procesos, los procesos de precipitación y redisolución y los procesos de ión común. Los procesos biológicos considerados son: eliminación biológica de materia orgánica, nitrógeno y fósforo, acidogénesis, acetogénesis, metanogénesis y sulfatoreducción. El modelo BNRM1 ampliado puede ser utilizado para el diseño, la simulación y la optimización de estaciones depuradoras que incluyan decantadores primarios, sistemas de fangos activados para la eliminación de materia orgánica nitrógeno y fósforo (incluyendo los procesos de desnitrificación en los decantadores secundarios), reactores biológicos de membranas aerobios o anaerobios, espesadores de gravedad, digestores de fango (aerobios y anaerobios), sistemas de generación de ácidos grasos volátiles por fermentación/elutriación de fango primario (fermentación en el decantador primario, en el fermentador o en el espesador y elutriación en el decantador primario o espesador). El efecto de la recirculación a cabeza de planta del sobrenadante de la digestión aerobia o anaerobia puede ser tenido en cuenta simulando el proceso de deshidratación del fango mediante un simple balance de materia. Para conseguir un diseño realista y fiable de una estación depuradora es necesario tener en cuenta la carga de nitrógeno y fósforo recirculada a través del sobrenadante de la deshidratación. 4

Los procesos incluidos en el modelo para la eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo se basan en los procesos considerados en el modelo de fangos activados nº 2d (Activated Sludge Model No.2d, ASM2d; Henze et al., 1999) con algunas modificaciones: • El proceso de fermentación llevado a cabo por las bacterias heterótrofas ya no se considera porque las bacterias acidogénicas están incluidas en el modelo. Este proceso no estaba bien caracterizado en el ASM2d porque se asumía que lo llevaban a cabo las mismas bacterias heterótrofas responsables de la degradación de la materia orgánica en condiciones aerobias y anóxicas no estaba ligado a ningún proceso de crecimiento. Con la aproximación realizada en el modelo ASM2d, la velocidad del proceso de fermentación depende en gran medida de la concentración de bacterias heterótrofas y los valores descritos en la literatura para la velocidad específica de fermentación (qfe) presentan una gran variabilidad (Satoh et al., 2000). Dicha variabilidad puede evitarse separando las bacterias heterótrofas en dos grupos: bacterias anaerobias fermentativas y bacteria aerobias y facultativas. • El componente alcalinidad, incluido en el modelo ASM2d como indicador de valores de pH excesivamente bajos, no se considera en el modelo BNRM1 porque se ha incluido un modelo químico capaz de calcular el pH en los procesos biológicos (Serralta et al., 2004). Este modelo químico supone la adición de dos nuevos componentes, carbono inorgánico y protón. • Las funciones switch que modifican la velocidad de los procesos biológicos en función del valor de la alcalinidad se han sustituido por funciones switch dependientes del pH. • El modelo incluye las variaciones de potasio y magnesio asociadas a los procesos de almacenamiento de polifosfato por las PAOs. •

Los procesos de eliminación biológica de nitrógeno se ven complementados con la

separación en dos etapas del proceso de nitrificación (considerando dos grupos de bacterias nitrificantes: bacterias amoniooxidantes y bacterias nitritooxidantes), la inclusión del nitrito en los procesos de desnitrificación y la inclusión en el modelo de las bacterias ANAMMOX. Los procesos incluidos en el modelo BNRM1 ampliado para representar el proceso de digestión anaerobia están basados en un modelo simplificado de dicho proceso de digestión. Los grupos de bacterias considerados en el modelo son: bacterias acidogénicas (responsables de los procesos de hidrólisis anaerobia de la materia orgánica lentamente biodegradable y fermentación de la materia orgánica fermentable), bacterias acetogénicas (responsables del proceso de acetogénesis de los ácidos grasos volátiles), bacterias metanogénicas hidrogenotróficas (responsables de la 5

conversión del hidrógeno en metano), bacterias metanogénicas acetoclásticas (responsables de la conversión del ácido acético en metano) y las bacterias sulfato reductoras (responsables de la conversión de sulfato en sulfuro a partir de ácidos grasos volátiles e hidrógeno). Aunque el modelo incluye 12 grupos de bacterias, las condiciones que prevalezcan en cada unidad de tratamiento (aerobias, anóxicas o anaerobias) determinarán qué grupos de bacterias pueden proliferar. Por ejemplo, en la digestión anaerobia de fango secundario, las bacterias heterótrofas, autótrofas y acumuladoras de polifosfatos no podrán desarrollarse, simplemente morirán a una determinada velocidad (bH, bA and bPAO, respectivamente) proporcionando la materia orgánica lentamente biodegradable para el proceso de digestión. El modelo utilizado para representar los procesos de sedimentación (Ribes et al., 2002) consiste en un modelo unidimensional basado en la teoría del flujo de sólidos y en el balance de materia propuesto por Takács para la velocidad de sedimentación (Takács et al., 1991), corregida por una función para representar el fenómeno de compresión en las capas inferiores. Este modelo unido al modelo biológico permite tener en cuenta los procesos biológicos que tienen lugar en decantadores primarios y secundarios y espesadores de gravedad.

2.1. Componentes del modelo El modelo considera un total de 51 componentes, de los cuales 21 son solubles (S?) y 30 particulados (X?). Todos esos componentes se definen a continuación.

2.1.1. Componentes solubles, S SA (MDQOL-3): Acetato + Ácido Acético. Es el principal producto de la fermentación, y se modela de forma independiente al resto de los ácidos grasos volátiles. SAl (MAlL-3): Aluminio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitación. SCa (MCaL-3): Calcio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitación. SCH4 (MDQOL-3): Metano. Es el principal producto generado en los sistemas de digestión 6

anaerobia. SF (MDQOL-3): Sustratos orgánicos fácilmente biodegradables, fermentables. Es la fracción de la DQO soluble que está disponible directamente para la degradación por los organismos heterótrofos. Se asume que SF puede servir como sustrato para el proceso de fermentación. SFe (MFeL-3): Hierro presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitación. .SH2 (MDQOL-3): Hidrógeno. Subproducto generado en los sistemas de digestión anaerobia, se forma en el proceso de fermentación pero en su mayoría es transformado en metano SH2S (MSL-3): Ácido sulfhídrico, producto de la reducción del sulfato. Es la suma de H2S + HS+ S-2. SI (MDQOL-3): materia orgánica inerte. La principal característica de este elemento es que no puede ser degradado. Se asume que este elemento es parte del influente. SIC (MolCL-3): Carbono inorgánico. Es la suma analítica de las concentraciones de carbonato (CO32-), bicarbonato (HCO3-) y ácido carbónico (H2CO3). El ácido carbónico está en equilibrio con el dióxido de carbono (CO2) disuelto, siendo la concentración de este último del orden de 100 veces superior a la de ácido carbónico. Por este motivo la concentración de CO2 también se incluye en este componente. SK (MKL-3): Potasio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto para mantener la electroneutralidad del polifosfato dentro de la bacteria. SMg (MMgL-3): Magnesio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto para mantener la electroneutralidad del polifosfato dentro de la bacteria. SN2 (MNL-3): nitrógeno gaseoso, N2. Se asume que solamente es un producto de la desnitrificación. SNH4 (MNL-3): amonio más nitrógeno amoniacal. Para el balance de las cargas eléctricas, se asume que el SNH4 es solamente NH4+, sin embargo, en la realidad está compuesto de NH3 + NH4+-N. SNO3 (MNL-3): nitrato, compuesto que se genera de la oxidación del nitrito. SNO2 (MNL-3): nitrito, compuesto de NO2- + HNO2 + -N generado a partir de la oxidación del 7

amonio y la reducción nitrato. SO2 (MO2L-3): oxígeno disuelto en el medio. SPO4 (MPL-3): fósforo soluble inorgánico, principalmente ortofosfatos. Para el balance de las cargas eléctricas, se asume que este componente está compuesto de un 50% de H2PO4- y un 50% de HPO42-, independiente del pH. SPRO (MDQOL-3): Productos de la fermentación excluyendo el ácido acético. Se incluyen en este componente los ácidos grasos volátiles que se generan en el proceso de fermentación y que no pueden ser transformados directamente en metano (propiónico, butírico, valérico, etc). Para los cálculos estequiométricos se asume que SPRO equivale a propionato. SSO4 (MSL-3): Sulfato presente en el agua residual empleado como aceptor de electrones por las bacterias sulfatoreductoras, también se emplea como micronutriente para todo tipo de bacterias. Se asume que solamente es SO4-2, sin embargo, en realidad es la suma de las concentraciones de H2SO4, HSO4-1, SO4-2. STH (MolHL-3): Protón. Este componente representa la concentración total de protones en disolución, siendo la suma analítica de las concentraciones de protones libres en disolución (H+), y protones combinados formando parte de otras especies (HCO3-, H2CO3, HPO42-, H2PO4-, etc).

2.1.2. Componentes particulados, X XACID (MDQOL-3): bacterias acidogénicas. Son los organismos responsables de la generación de ácidos grasos volátiles por fermentación y de la hidrólisis de la materia orgánica particulada en condiciones anaerobias. XANA (MDQOL-3): Bacterias amoniooxidantes anaerobias. Estas bacterias son las responsables de que el amonio y el nitrito se convierta directamente en gas nitrógeno en condiciones anaerobias. XAMM (MDQOL-3): Bacterias amoniooxidantes. Se encargan de la oxidación del amonio a nitrito y sólo serán tenidas en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificación se calcule como un proceso de dos etapas. Dado que el programa permite al usuario elegir el cálculo de los procesos de nitrificación en una etapa o en 2 etapas el modelo biológico considera las bacterias autótrofas, las bacterias amoniooxidantes y las bacterias nitritooxidantes. 8

XAUT (MDQOL-3): organismos nitrificantes autótrofos. Este componente incluye tanto las bacterias amoniooxidantes como las bacterias nitritooxidantes y sólo será tenido en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificación se calcule como un proceso de una sola etapa. XH (MDQOL-3): organismos heterótrofos. Se asume que estos organismos pueden crecer en condiciones aerobias y anóxicas, utilizando como aceptor de electrones el oxígeno, el nitrato o el nitrito, respectivamente. Son los responsables de los procesos de hidrólisis de los sustratos particulados y pueden usar todos los sustratos solubles orgánicos degradables (SA, Spro y SF). XI (MDQOL-3): material orgánico inerte. Este material no se puede degradar. XI puede ser una fracción del influente o puede producirse dentro del proceso de lisis (muerte celular). XNIT (MDQOL-3): Bacterias nitritooxidantes. Se encargan de la oxidación del nitrito a nitrato y sólo serán tenidas en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificación se calcule como un proceso de dos etapas. XNV (MSSTL-3): Sólidos suspendidos no volátiles. Este componente no participa en los procesos biológicos, únicamente se concentra por sedimentación.

XMAC (MDQOL-3): bacterias metanogénicas acetoclásticas. Estos organismos son anaerobios estrictos y son los responsables de la conversión del ácido acético en metano. XMH2 (MDQOL-3): bacterias metanogénicas acetoclásticas. Estos organismos son anaerobios estrictos y son los responsables de la conversión del hidrógeno en metano. XPAO (MDQOL-3): organismos acumuladores de polifosfatos (PAOs). Se asume que estos organismos representan a todos los organismos acumuladores de polifosfatos. La concentración de XPAO no incluye los productos que se almacenan intracelularmente (XPP y XPHA). XPHA (MDQOL-3): es un producto almacenado intracelularmente en los organismos acumuladores de polifosfatos, PAOs. Éste incluye poli-hidroxialcanoatos (PHA), glicógeno, etc. Aunque está asociado con XPAO, sin embargo, no está incluido en la masa de XPAO. Tiene una composición química de poli-hidroxibutirato, (C4H6O2)n. XPP (MPL-3): polifosfato. El polifosfato es un producto almacenado intracelularmente en las PAOs, Aunque está asociado con XPAO, sin embargo, no está incluido en la masa de XPAO. Forma parte del fósforo particulado. Tiene una la composición química (K0.33Mg0.33PO3)n. 9

XPRO (MDQOL-3): bacterias acetogénicas. Son los organismos responsables de la transformación en ácido acético de los ácidos grasos volátiles que no pueden ser transformados en metano. XS (MDQOL-3): sustrato lentamente biodegradable. Es un sustrato orgánico particulado y coloidal de alto peso molecular que necesita ser hidrolizado antes de estar disponible para la degradación. Se asume que los productos de la hidrólisis (SF) se pueden fermentar. XSRB-PRO (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el ácido propiónico para su desarrollo. XSRB-AC (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el ácido acético para su desarrollo. XSRB-H2 (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el hidrógeno para su desarrollo. XMEOH (MSSTL-3): hidróxidos metálicos. Este componente se añade al sistema para llevar a cabo el proceso de precipitación química del fósforo. Se asume que este componente está compuesto de Fe(OH)3. Es posible reemplazar este componente por otros reactivos. XMEP (MSSTL-3): fosfatos metálicos. Este componente resulta de la precipitación química del fósforo. Se asume que este componente está compuesto de FePO4. XTSS (MSSTL-3): sólidos suspendidos totales, SST. No son un componente del modelo pero se calcula su concentración a partir de los correspondientes factores estequiométricos. XMAP (MMAPL-3): precipitado de estruvita, está formado por MgNH4PO4·6H2O. XHAP (MHAPL-3): precipitado de hidroxiapatita, está formado por fosfato de calcio cristalino (Ca10(PO4)6(OH)2). XVar (MVarL-3): precipitado de estruvita, está formado por mineral de fosfato con formula AlPO4·2H2O. XACP (MACPL-3): precipitado de fosfato de calcio amorfo (ACP), está formado por mineral de fosfato con formula Ca4H(PO4)3·2.5H2O XNew (MNewL-3): precipitado de newberita, está formado por mineral de fosfato con formula MgHPO4·3H2O. 10

XViv (MVivL-3): precipitado de vivianita, está formado por mineral fosfato de hierro con formula Fe3(PO4)2·8(H2O). XEst (MEstL-3): precipitado de estrengita, está formado por FePO4·2H2O. XCal (MCalL-3): precipitado de calcita, es un mineral del grupo de los carbonatos y está formado por CaCO3. XSid (MSidL-3): precipitado de siderita, es un carbonato de hierro (II) (FeCO3), del grupo de la calcita. XMag (MMagL-3): precipitado de magnesita, es un mineral de composición química fundamentalmente carbonato de magnesio (MgCO3) con impurezas de Fe, Mn, Ca, Co o Ni.

2.2. Ecuaciones de continuidad La estequiometria del modelo BNRM1 ampliado se basa en 11 ecuaciones de continuidad aplicadas a la DQO, nitrógeno, fósforo, sólidos suspendidos totales, magnesio, potasio, calcio, hierro, azufre, carbono y protones. Estas ecuaciones se utilizan para calcular los coeficientes estequiométricos de SO2 (SNO3 y SN2 en desnitrificación) a partir de la DQO, SNH4 a partir del nitrógeno, SPO4 a partir del fósforo, XTSS a partir de los sólidos suspendidos totales, SMg a partir del Magnesio, SK a partir del potasio, SCa a partir del Calcio, SFe a partir del hierro, SSO4 a partir del azufre, SIC a partir del carbono, y SH a partir de los protones. Los factores de conversión necesarios para aplicar las ecuaciones de continuidad se muestran en la Tabla 1.

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Tabla 1. Factores de continuidad necesarios para la aplicación de las ecuaciones de continuidad.

Ecuación continuidad → Factores → Unidades Componentes ↓ SO2 SF SA SPRO SNH4 SNO2 SNO3 SN2 SPO4 SI SH2 SCH4 StotH SMg SK SCa SFe SAl StotC SSO4 SH2S

g O2 g DQO g DQO g DQO gN gN gN gN gP g DQO g DQO g DQO mol H+ g Mg gK g Ca g Fe g Al mol C gS gS

DQO iDQO.i g DQO -1 1 1 1 - 48/14 - 64/14 - 24/14

Nitrógeno Fósforo iN.i iP.i gN gP iNSF

iPSF

Sólidos iSST.i g SST

Magnesio Potasio Calcio Hierro Carbono Protones Azufre iMg.i iP.i iCa.i iFe.i iC.i iH+.i iS.i g Mg gK g Ca g Fe Mol C Mol H gS iMgSF

iKSF

iCaSF

iFeSF

iCSF 2/64 3/112

1 1 1 1 1

1 1 1

iNSI

iPSI

iSSF 1/64 1/112 -1/14 1/14 1/14 2/31(*)

iMgSI

iKSI

iCaSI

iFeSI

iCSI

iSSI

1/64 -1 1 1 1 1 1

-2

2 2/32 1/32

1 1

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Tabla 1 Cont. Factores de continuidad necesarios para la aplicación de las ecuaciones de continuidad.

Ecuación continuidad → Factores → Unidades Componentes ↓ XI XS XH XAUT/ XANA XAMM XNIT XPAO XPHA XPP XACID XPRO XMAC XMH2 XSST XNV XMEOH XMEP XSRB-PRO XSRB-AC XSRB-H2

g DQO g DQO g DQO g DQO g DQO g DQO g DQO g DQO gP g DQO g DQO g DQO g DQO g SST

g DQO g DQO g DQO

DQO iDQO.i g DQO 1 1 1 1 1 1 1

Nitrogeno Fósforo iN.i iP.i gN gP iNXI iPXI iNXS iPXS iNBM iPBM iNBM iPBM iNBM iPBM iNBM iPBM iNBM iPBM 1

1 1 1 1

iNBM iNBM iNBM 0.07

iPBM iPBM iPBM 0.02

1 1 1

iNBM iNBM iNBM

iPBM iPBM iPBM

Solidos iSST.i g SST iSSTXI iSSTXS iSSTBM iSSTBM iSSTBM iSSTBM iSSTBM 0.6 3.32 iSSTBM iSSTBM iSSTBM 0.7 -1

iSSTBM iSSTBM iSSTBM

Magnesio Potasio Cálcio Hierro Carbono Protones Azufre iMg.i iP.i iCa.i iFe.i iC.i iH+.i iS.i g Mg gK g Ca g Fe Mol C Mol H gS iMgXI iKXI iCaXI iFeXI iCXI iSXI iMgXS iKXS iCaXS iFeXS iCXS iSXS iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iCBM iSBM FeBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM 1/36 0.2581 0.4194 iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM 5/160 iSBM

iMgBM iMgBM iMgBM

iKBM iKBM iKBM

CaBM

iCaBM iCaBM

iFeBM iFeBM iFeBM

iCBM iCBM iCBM

iSBM iSBM iSBM

(*) Debe haber una variación total de 2 H+ cada vez que se toma/suelta el fosfato. Así que el caso del PP se puede poner 3/31 al PO4 y 1/31 al XPP, o bien 2/31 al PO4 y 0 al XPP. 13

2.3. Procesos cinéticos El modelo BNRM1 ampliado considera 47 procesos biológicos y 24 procesos físicos controlados por la cinética. A continuación se explican los diversos procesos agrupados en función de las bacterias que los realizan. Bacterias Heterótrofas: Estas bacterias son responsables de la hidrólisis de la materia orgánica particulada en condiciones anaerobias, anóxicas y aerobias y de la degradación de la materia orgánica soluble. Se asume que tanto el rendimiento de las bacterias como su velocidad de crecimiento son independientes del sustrato. La estequiometría de estos procesos se muestra en la Tabla 2. En las tablas de la estequiometría de los procesos se incluye la nitrificación y desnitrificación en una etapa (N1E) y la nitrificación y la desnitrificación en dos etapas (N2E). Bacterias Acumuladoras de Polifosfatos (PAOs): Estas bacterias son capaces de tomar ácidos grasos volátiles (SA y SPRO) en condiciones anaerobias y almacenarlos en forma de poli-hidroxialcanoatos (PHA). La energía necesaria la obtienen de la degradación de las reservas de polifosfato a fosfato que vierten al medio. Este proceso también se ha observado en condiciones anóxicas y aerobias. El PHA almacenado es oxidado en condiciones anóxicas y aerobias y la energía obtenida es utilizada por las bacterias para crecer y tomar fósforo reponiendo las reservas de polifosfato. La estequiometría de estos procesos se muestra en la Tabla 3. Bacterias Autótrofas: Estas bacterias comprenden las bacterias nitrificantes (amoniooxidantes, nitritooxidantes) y las ANAMMOX. La Tabla 4 muestra la estequiometría de los procesos llevados a cabo por estas bacterias. Bacterias anaerobias: Estas bacterias son las encargadas de estabilizar el fango en condiciones anaerobias y de la producción de biogás y otros componentes. Existen varios grupos de este tipo de bacterias, las cuales cada una tiene una función dentro del sistema: - Bacterias Acidogénicas: Estas bacterias son responsables del proceso de fermentación. Mediante este proceso la materia orgánica fermentable es transformada bajo condiciones anaerobias en ácidos grasos volátiles. Estas bacterias también son capaces de hidrolizar la materia orgánica suspendida en condiciones anaerobias. - Bacterias Acetogénicas: Estas bacterias son responsables de la transformación de los ácidos grasos volátiles en ácido acético e hidrógeno, que son los precursores del metano. 14

- Bacterias Metanogénicas: El modelo BNRM1 ampliado considera dos grupos de bacterias metanogénicas: acetoclásticas (responsables de la transformación del ácido acético en metano) e hidrogenotróficas (responsables de la transformación del hidrógeno en metano). La Tabla 5 muestra la estequiometría de los procesos llevados a cabo por estas bacterias. Bacterias sulfatoreductoras: Estas bacterias son responsables de la reducción del sulfato a sulfuro en condiciones anaerobias, consumiendo para ello ácidos grasos volátiles e hidrógeno. La estequiometría de estos procesos se muestra en la Tabla 6. La presencia de estas bacterias, no es deseada porque consumen el sustrato que las bacterias metanogénicas necesitan para su desarrollo. Otra razón por la que su presencia no es deseable, es que el sulfuro está en equilibrio con el H2S que es sumamente corrosivo pudiendo dañar los equipos, la presencia de H2S en el biogás dificulta su valorización energética. Procesos Físico-Químicos: El modelo BNRM1 ampliado considera el proceso de precipitación química del fósforo de forma análoga al ASM2d. Además se incluyen los procesos de desabsorción de los distintos gases considerados en el modelo (dióxido de carbono, oxígeno, metano, hidrógeno, nitrógeno, amonio y sulfhídrico) y la precipitación y redisolución de los distintos componentes que pueden formarse. La Tabla 7 muestra la estequiometría de los procesos físicos llevados a cabo en el sistema.

15

Tabla 2. Estequiometría de los procesos biológicos llevados a cabo por las bacterias heterótrofas. PROCESOS 01. Hidrólisis Aerobia 02. Hidrólisis Anóxica 03. Hidrólisis Anaerobia

SO2

SF 1-fSI 1-fSI 1-fSI 1 YH

1-YH YH 1-YH YH 1-YH YH

04. Crecimiento XH Aerobio a partir de SF

-

05. Crecimiento XH Aerobio a partir de SA 06. Crecimiento XH Aerobio a partir de SPRO

SA

-

SPRO

1 YH -

1 YH

1 YH,NO3 1 YH,NO3

07. Crecimiento XH Anóxico a partir de SF y NO3 N2E

1 YH,NO3 1 YH,NO3

08. Crecimiento XH Anóxico a partir de SA y NO3 N2E

09. Crecimiento XH Anóxico a partir de SPRO y NO3 N2E -

1 -

11. Crecimiento XH Anóxico a partir de SA y NO2

1 -

12. Crecimiento XH Anóxico a partir de SPRO y NO2

1 YH,NO2

SMg γMg,1 γMg,2 γMg,3

SK γK,1 γK,2 γK,3

SCa γCa,1 γCa,2 γCa,3

SFe γFe,1 γFe,2 γFe,3

StotC γC,1/1000 γC,2/1000 γC,3/1000

SSO4 γS,1 γS,2 γS,3

XI

XS -1 -1 -1

XH

γCa,4

γFe,4

γC,4/1000

γS,4

1

γN,5

γP,5

γH+,5

γMg,5

γK,5

γCa,5

γFe,5

γC,5/1000

γS,5

1

γN,6

γP,6

γH+,6

γMg,6

γK,6

γCa,6

γFe,6

γC,6/1000

γS,6

1

γP,7

γH+,7

γMg,7

γK,7

γCa,7

γFe,7

γC,7/1000

γS,7

γP,7

γH+,7

γMg,7

γK,7

γCa,7

γFe,7

γC,7/1000

γS,7

γP,8

γH+,8

γMg,8

γK,8

γCa,8

γFe,8

γC,8/1000

γS,8

γP,8

γH+,8

γMg,8

γK,8

γCa,8

γFe,8

γC,8/1000

γS,8

γP,9

γH+,9

γMg,9

γK,9

γCa,9

γFe,9

γC,9/1000

γS,9

γP,9

γH+,9

γMg,9

γK,9

γCa,9

γFe,9

γC,9/1000

γS,9

γP,10

γH+,10

γMg,10

γK,10

γCa,10

γFe,10

γC,10/1000

γS,10

1

γP,11

γH+,11

γMg,11

γK,11

γCa,11

γFe,11

γC,11/1000

γS,11

1

γP,12

γH+,12

γMg,12

γK,12

γCa,12

γFe,12

γC,12/1000

γS,12

1

γP,13

γH+,13

γMg,13

γK,13

γCa,13

γFe,13

γC,13/1000

γS,13

XS

XPAO

1-YH,NO3 2.86YH,NO3 1-YH,NO3 1.14YH,NO3 1-YH,NO3 2.86YH,NO3 1-YH,NO3 1.14YH,NO3 1-YH,NO3 2.86YH,NO3 1-YH,NO3 1.14YH,NO3 -

1-YH,NO3 1.14YH,NO3

1-YH,NO3 1.14YH,NO3

γN,9 1-YH,NO3 1.14YH,NO3 1-YH,NO2 1.71YH,NO2 1-YH,NO2 1.71YH,NO2 1-YH,NO2 1.71YH,NO2

γN,9

γN,12

1-YH,NO3 2.86YH,NO3

1-YH,NO3 2.86YH,NO3

1-YH,NO3 2.86YH,NO3

1-YH,NO2 1.71YH,NO2 1-YH,NO2 1.71YH,NO2 1-YH,NO2 1.71YH,NO2

γN,13

13. Lisis XH

StotH γH+,1 γH+,2 γH+,3

γK,4

γN,11

YH,NO2

SI fSI fSI fSI

γMg,4

γN,10

YH,NO2

SPO4 γP,1 γP,2 γP,3

γH+,4

γN,8 1 YH,NO3 1 YH,NO3

SN2

γP,4

γN,8

-

N1E

10. Crecimiento XH Anóxico a partir de SF y NO2

SNO3

γN,4

γN,7 -

N1E

SNO2

γN,7

-

N1E

SNH4 γN,1 γN,2 γN,3

1

1

1

fXI

1-fXI

-1

Tabla 3. Estequiometría de los procesos biológicos llevados a cabo por las bacterias acumuladoras de polifosfatos. PROCESOS 14. Almacenamiento PHA a partir de SA 15. Almacenamiento PHA a partir de SPRO 16. Almacenamiento de polifosfato Aerobio

SO2

SA -1

SPRO

SNH4

SNO2

SNO3

SN2

YPHA,NO3 2.86 YPHA,NO3 1.14

YPHA,NO3 2.86

-1 -YPHA N1E

-

17. Almacenamiento de polifosfato anóxico (NO3)

YPHA,NO3 1.14 YPHA,NO2 1.71

N2E 18. Almacenamiento de polifosfato Aerobio (NO2) 1-YPAO YPAO

19. Crecimiento XPAO Aerobio a partir de XPHA

YPHA,NO2 1.71

γN,19 γN,20

N1E 20. Crecimiento XPAO Anóxico a partir de XPHA (NO3)

γN,20

N2E 21. Crecimiento XPAO Anóxico a partir de XPHA (NO2)

γN,21

22. Lisis XPAO 23. Lisis XPP 24. Lisis XPHA

γN,22 1

1-YPAO,NO3 1.14YPAO,NO3

1-YPAO,NO3 2.86YPAO,NO3 1-YPAO,NO3 1.14YPAO,NO2 1-YPAO,NO2 2.86YPAO,NO3

1-YPAO,NO3 2.86YPAO,NO3

1-YPAO,NO2 2.86YPAO,NO3

SPO4 YPO4 YPO4 -1

StotH γH+,14 γH+,15 γH+,16

SMg γMg,14 γMg,15 γMg,16

SK γK,14 γK,15 γK,16

-1

γH+,17

γMg,17

γK,17

-1

γH+,17

γMg,17

-1

γH+,18

γMg,18

SCa

SFe

StotC γC,14/1000 γC,15/1000 γC,16/1000

SSO4

XI

XPHA 1 1 -YPHA

XPP -YPO4 -YPO4 1

γC,17/1000

-YPHA,NO3

1

γK,17

γC,17/1000

-YPHA,NO3

1

γK,18

γC,18/1000

-YPHA,NO2

1

1

γP,19

γH+,19

γMg,19

γK,19

γCa,19

γFe,19

γC,19/1000

γS,19

1

γP,20

γH+,20

γMg,20

γK,20

γCa,20

γFe,20

γC,20/2000

γS,20

1

γP,20

γH+,20

γMg,20

γK,20

γCa,20

γFe,20

γC,20/2000

γS,20

1

γP,21

γH+,21

γMg,21

γK,21

γCa,21

γFe,21

γC,21/1000

γS,21

1

γP,22 1

γH+,22 γH+,23 γH+,24

γMg,22 γMg,23

γK,22 γK,23

γCa,22

γFe,22

γC,22/1000

γS,22

fXI

1-fXI

-

YPAO 1

YPHA,NO3 1 YPHA,NO3 1 YPHA,NO2

-1 -1 -1

16

Tabla 4. Estequiometría de los procesos biológicos llevados a cabo por las bacterias autótrofas. PROCESOS 25. Crecimiento XAUT Aerobio (Nitrificación)

N1E

26. Crecimiento XANA

N2E

27. Crecimiento XAMM

N2E

28. Crecimiento XNIT

N2E

29. Lisis XAUT 30. Lisis XANA 31. Lisis XAMM 32. Lisis XNIT

N1E N2E N2E N2E

SO2 4.57-YAUT YAUT

3.43-YAMM YAMM 1.14-YNIT YNIT

-

SNH4 1 - iNBM

-

SNO2

YAUT 1 - i YANA NBM 1 - i YAMM NBM

-

γN,28 γN,29 γN,30 γN,31 γN,32

1 1 YANA 1.14 1 YAMM 1 YNIT

SNO3 1 YAUT 1 1.14

SN2

2 YANA

1 YNIT

SPO4

StotH

SMg

SK

SCa

SFe

StotC

SSO4

XI

XS

XAUT/XANA

γP,25

γH+,25

γMg,25

γK,25

γCa,25

γFe,25

γC,25/1000

γS,25

1

γP,26

γH+,26

γMg,26

γK,26

γCa,26

γFe,26

γC,26/1000

γS,26

1

γP,27

γH+,27

γMg,27

γK,27

γCa,27

γFe,27

γC,27/1000

γS,27

γP,28

γH+,28

γMg,28

γK,28

γCa,28

γFe,28

γC,28/1000

γS,28

γP,29 γP,30 γP,31 γP,32

γH+,29 γH+,30 γH+,31 γH+,32

γMg,29 γMg,30 γMg,31 γMg,32

γK,29 γK,30 γK,31 γK,32

γCa,29 γCa,30 γCa,31 γCa,32

γFe,29 γFe,30 γFe,31 γFe,32

γC,29/1000 γC,30/1000 γC,31/1000 γC,32/1000

γS,29 γS,30 γS,31 γS,32

XAMM

XNIT

1 1 fXI fXI fXI fXI

1-fXI 1-fXI 1-fXI 1-fXI

-1 -1 -1 -1

Tabla 5. Estequiometría de los procesos biológicos anaerobios. PROCESOS 33. Hidrólisis Anaerobia

SA

SPRO

SNH4 γN,33

SPO4 γP,33

1-YACID  f YACID AC 1-YPRO  f YPRO AC 1 YMAC

1-YACID  f YACID PRO 1 YPRO

γN,34

γP,34

γN,35

γP,35

γN,36

γP,36

37. Conversión del hidrógeno en metano

γN,37

γP,37

38. Lisis XACID 39. Lisis XPRO 40. Lisis XMAC 41. Lisis XMH2

γN,38 γN,39 γN,40 γN,41

γP,38 γP,39 γP,40 γP,41

34. Fermentación de la materia fermentable (SF)

SF 1-fSI 1 YACID

35. Oxidación anaerobia del Ac. propiónico 36. Conversión del ácido acético en metano

SI fSI

SH2

SCH4

1-YACID   1-fAC -fPRO

YACID 1-YPRO   1-fAC

YPRO

-

1 YMH2

1-YMAC   YMAC 1-YMH2   YMH2

StotH γH+,33

SMg γMg,33

SK γK,33

SCa γCa,33

SFe γFe,33

StotC γC,33/1000

SSO4 γS,33

γH+,34

γMg,34

γK,34

γCa,34

γFe,34

γC,34/1000

γS,34

γH+,35

γMg,35

γK,35

γCa,35

γFe,35

γC,35/1000

γS,35

γH+,26

γMg,26

γK,26

γCa,26

γFe,26

γC,26/1000

γS,26

γH+,37

γMg,37

γK,37

γCa,37

γFe,37

γC,37/1000

γS,37

γH+,38 γH+,39 γH+,40 γH+,41

γMg,38 γMg,39 γMg,40 γMg,41

γK,38 γK,39 γK,40 γK,41

γCa,38 γCa,39 γCa,40 γCa,41

γFe,38 γFe,39 γFe,40 γFe,41

γC,38/1000 γC,39/1000 γC,40/1000 γC,41/1000

γS,38 γS,39 γS,40 γS,41

XI

XS -1

XACID

XPRO

XMAC

XMH2

1 1 1 1 fXI fXI fXI fXI

1-fXI 1-fXI 1-fXI 1-fXI

-1 -1 -1 -1

Tabla 6. Estequiometría de los procesos biológicos llevados a cabo por las bacterias sulfatoreductoras. PROCESOS

StotH

SMg

SK

SCa

SFe

StotC

γP,42

γH+,42

γMg,42

γK,42

γCa,42

γFe,42

γC,42/1000

γN,43

γP,43

γH+,43

γMg,43

γK,43

γCa,43

γFe,43

γC,43/1000

44. Crecimiento XSRB-H2

γN,44

γP,44

γH+,44

γMg,44

γK,44

γCa,44

γFe,44

γC,44/1000

45. Lisis XSRB-PRO 46. Lisis XSRB-AC 47. Lisis XSRB-H22

γN,45 γN,46 γN,47

γP,45 γP,46 γP,47

γH+,45 γH+,46 γH+,47

γMg,45 γMg,46 γMg,47

γK,45 γK,46 γK,47

γCa,45 γCa,46 γCa,47

γFe,45 γFe,46 γFe,47

γC,45/1000 γC,46/1000 γC,47/1000

42. Crecimiento XSRB-PRO 43. Crecimiento XSRB-AC

SA 1-YSRB,PRO 1.75YSRB,PRO 1 YSRB,AC

SPRO 1 YSRB,PRO

SNH4

SPO4

γN,42

SH2

-

1 YSRB,H2

SSO4 1-YSRB,PRO - i 4.67YSRB,PRO SBM 1-YSRB,AC - i 2YSRB,AC SBM 1-YSRB,H2 - i 2YSRB,H2 SBM γS,44 γS,45 γS,46

SH2S 1-YSRB,PRO 4.67YSRB,PRO 1-YSRB,AC 2YSRB,AC 1-YSRB,H2 2YSRB,H2

XI

XS

XSRB-PRO

XSRB-AC

XSRB-H2

1 1 1 fXI fXI fXI

1-fXI 1-fXI 1-fXI

-1 -1 -1

17

Tabla 7. Estequiometría de los procesos físico-químicos. PROCESOS 48. Precipitación 49. Redisolución 50. Desabsorción CO2 51. Desabsorción O2 52. Desabsorción CH4 53. Desabsorción H2 54. Desabsorción N2 55. Desabsorción NH3 56. Desabsorción H2S 57. Precipitación ACP 58. Disolución ACP 59. Precipitación HAP 60. Precipitación MAP 61. Disolución MAP 62. Precipitación Newberita 63. Disolución Newberita 64. Precipitación Vivianita 65. Disolución Vivianita 66. Precipitación Estrengita 67. Disolución Estrengita 68. Precipitación Variscita 69. Disolución Variscita 70. Precipitación Calcita 71. Disolución Calcita

SO2

SNH4

SN2

SPO4 -1 1

SH2

SCH4

SH2S

StotH γH+,48 γH+,49 γH+,50

StotC

SMg

SCa

SFe

SAl

XMEOH - Hidróxido en Precipitado Hidróxido en Precipitado

XMEP - Fosfato en Precipitado Fosfato en Precipitado

XACP

XHAP

1 -1 -1

1

XMAP

XNew

XViv

XEst

XVar

XCal

γC,50/1000

-1 -1 -1 -1 -1 -1

-1x14 -1x14

-2x30.1 2x30.1 -1x30.1 -1x30.1 1x30.1 -1x30.1 1x30.1 -2x30.1 2x30.1 -1x30.1 1x30.1 -1x30.1 1x30.1

γH+,55 γH+,56 -3x40.1 3x40.1 -2x40.1

1 -1x24.3 1x24.3 -1x24.3 1x24.3

1 -1 1 -1 -3x55.8 3x55.8 -1x55.8 1x55.8

1 -1 1 -1 -1x27 1x27

-1 1

-1x40.1 1x40.1

1 -1 1 -1

18

En todos los procesos considerados en el modelo, los coeficientes estequiométricos del amonio, fosfato, sólidos suspendidos, carbono inorgánico y protones se calculan a partir de las ecuaciones de continuidad. Las expresiones cinéticas utilizadas para representar la velocidad de los procesos antes comentados se muestran en la Tabla 8. En estas tablas para las funciones switch de semi-saturación correspondientes al oxígeno, nitrato, amonio, fosfato, etc. se han utilizado las abreviaturas Mi siendo "i" el componente empleado. Cada una de estas funciones representa la ecuación siguiente:

Las funciones switch de inhibición correspondientes, se han nombrado mediante las abreviaturas Ii. Estas funciones representan el término de inhibición no competitiva.

La inhibición de la velocidad de los distintos procesos biológicos por el valor de pH del medio se ha denominado IpH y representa la combinación de la función switch de semisaturación y la inhibición no competitiva tal y como muestra la siguiente ecuación:

donde: SH representa la concentración de protones libres en disolución, KpH y KI,pH las constantes de semi-saturación e inhibición respectivamente y fpH es un factor que representa el valor máximo del producto de ambas funciones switch. Este factor se utiliza para eliminar la inhibición por el pH (IpH=1) en las condiciones de pH óptimo. Derivando esta expresión con respecto a la concentración de protones se obtiene que el máximo de la función se produce cuando la concentración de protones es igual a:

19

Tabla 8. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS

EXPRESIÓN CINÉTICA

XS

01. Hidrólisis Aerobia

02. Hidrólisis Anóxica

03. Hidrólisis Anaerobia

XH ⋅ I pH ⋅ X H XS KX + XH XS XH K H ⋅η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ ⋅ I pH ⋅ X H X KX + S XH XS XH K H ⋅η fe ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ ⋅ I pH ⋅ X H XS KX + XH K H ⋅ M O2 ⋅

SF SF ⋅ ⋅ I pH ⋅ X H K F + S F S F + S A + S PRO

04. Crecimiento XH Aerobio a partir de SF

µ H ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

05. Crecimiento XH Aerobio a partir de SA

µ H ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

06. Crecimiento XH Aerobio a partir de SPRO

µ H ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

07. Crecimiento XH Anóxico a partir de SF y NO3

µ H ⋅η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

08. Crecimiento XH Anóxico a partir de SA y NO3 09. Crecimiento XH Anóxico a partir de SPRO y NO3 10. Crecimiento XH Anóxico a partir de SF y NO2

SA SA ⋅ ⋅ I pH ⋅ X H K A + S A S F + S A + S PRO

S PRO S PRO ⋅ ⋅ I pH ⋅ X H K PRO + S PRO S F + S A + S PRO SF SF S NO3 ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K F + S F S F + S A + S PRO S NO3 + S NO 2

S NO3 SA SA ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K A + S A S F + S A + S PRO S NO3 + S NO2 S PRO S PRO S NO3 µ H ⋅ η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K PRO + S PRO S F + S A + S PRO S NO3 + S NO 2

µ H ⋅ η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

µ H ⋅η NO2 ⋅ I O 2 ⋅ M NO2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

S NO 2 SF SF ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K F + S F S F + S A + S PRO S NO3 + S NO 2

20

Tabla 8 Cont. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS

EXPRESIÓN CINÉTICA

12. Crecimiento XH Anóxico a partir de SPRO y NO2

S NO2 SA SA ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K A + S A S F + S A + S PRO S NO3 + S NO2 S PRO S PRO S NO2 µ H ⋅η NO 2 ⋅ I O 2 ⋅ M NO 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X H K PRO + S PRO S F + S A + S PRO S NO3 + S NO2

13. Lisis XH

bH ⋅ X H

11. Crecimiento XH Anóxico a partir de SA y NO2

14. Almacenamiento PHA a partir de SA

15. Almacenamiento PHA a partir de SPRO

16. Almacenamiento de polifosfato Aerobio

17. Almacenamiento de polifosfato anóxico (NO3)

18. Almacenamiento de polifosfato anóxico (NO2)

µ H ⋅η NO 2 ⋅ I O 2 ⋅ M NO 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

X PP X PAO SA SA qPHA ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ X PAO K A + S A S A + S PRO K + X PP PP X PAO X PP S PRO S PRO X PAO q PHA ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ X PAO K PRO + S PRO S A + S PRO K + X PP PP X PAO q PP

X PHA X K MAX − PP S PO 4 X PAO X PAO ⋅ M O 2 ⋅ M Mg ·M K ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X PAO X PHA X PP K PS + S PO 4 K + K + K − PHAPP IPP MAX X PAO X PAO

q PP

X X PHA K MAX − PP S PO 4 X PAO X PAO S NO3 ⋅η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ M Mg ·M K · ⋅ ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X PAO X PHA X PP K PS + S PO 4 K S NO3 + S NO 2 + K + K − PHAPP IPP MAX X PAO X PAO

q PP

X PHA K MAX − X PP S PO 4 X PAO X PAO S NO 2 ⋅η NO 2 ⋅ I O 2 ⋅ M NO 2 ⋅ M Mg ·M K ⋅ ⋅ ⋅ · ⋅ I pH ⋅ X PAO X X K PS + S PO 4 K S + S PHA PP NO 3 NO 2 K IPP + K MAX − PHAPP + X PAO X PAO

X PHA 19. Crecimiento XPAO Aerobio a partir de XPHA

µ PAO ⋅ S O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ K PHA , PAO

X PAO + X PHA

⋅ I pH ⋅ X PAO X PAO

21

Tabla 8 Cont. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS

EXPRESIÓN CINÉTICA

X PHA 20. Crecimiento XPAO Anóxico a partir de XPHA (NO3)

µ PAO ⋅η NO3 ⋅ I O 2 ⋅ M NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

K PHA , PAO +

X PAO X PHA

· X PAO

S NO3 ⋅ I pH ⋅ X PAO S NO3 + S NO 2

X PHA 21. Crecimiento XPAO Anóxico a partir de XPHA (NO2)

µ PAO ⋅η NO2 ⋅ I O 2 ⋅ M NO 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ K PHA , PAO

22. Lisis XPAO

bPAO ⋅ X PAO ⋅ M IC

23. Lisis XPP

bPP ⋅ X PP ⋅M IC

24. Lisis XPHA

bPHA ⋅ X PHA ⋅M IC

25. Crecimiento XAUT Aerobio (Nitrificación)

µ AUT ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ I pH ⋅ X AUT

26. Crecimiento XANA

µ ANA ⋅ I O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M NO 2 ⋅ M PO 4 ⋅ I pH ⋅ X ANA

27. Crecimiento XAMM

µ AMM ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ·I HNO 2 ⋅ I pH ⋅ X AMM

28. Crecimiento XNIT

µ NIT ⋅ M O 2 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ·M NO2 · I HNO 2 ⋅ I pH ⋅ X NIT

29. Lisis XAUT

bAUT ⋅ X AUT

30. Lisis XANA

b ANA ⋅ X ANA

31. Lisis XAMM

bAMM ⋅ X AMM

32. Lisis XNIT

bNIT ⋅ X NIT

X PAO + X PHA

· X PAO

S NO2 ⋅ I pH ⋅ X PAO S NO3 + S NO2

XS

X ACID ⋅ I pH ⋅ X ACID XS KX + X ACID

33. Hidrólisis Anaerobia

K H ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅

34. Fermentación de la materia fermentable (SF)

µ ACID ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

K H 2S SF KA KH2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X ACID K F + S F K A + S A K H 2 + S H 2 K H 2S + S H 2S

22

Tabla 8 Cont. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS

EXPRESIÓN CINÉTICA

37. Conversión del hidrógeno en metano

S PRO K H 2S KA KH2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X PRO K PRO + S PRO K A + S A K H 2 + S H 2 K H 2 S + S H 2 S K H 2S SA µ MAC ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X MAC K A + S A K H 2S + S H 2S S IC K H 2S SH 2 µ MH 2 ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X MH 2 K H 2 + S H 2 K C + S IC K H 2 S + S H 2 S

38. Lisis XACID

bACID ⋅ X ACID

39. Lisis XPRO

bPRO ⋅ X PRO

40. Lisis XMAC

bMAC ⋅ X MAC

41. Lisis XMH2

bMH 2 ⋅ X MH 2

42. Crecimiento XSRB-PRO

µ SRB− PRO ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ M SO4 ⋅

43. Crecimiento XSRB-AC

µ SRB− AC ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ M SO4 ⋅

44. Crecimiento XSRB-H2

µ SRB− H 2 ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅ M SO4 ⋅

45. Lisis XSRB-PRO

bSRB− PRO ⋅ X SRB − PRO

46. Lisis XSRB-AC

bSRB− AC ⋅ X SRB− AC

47. Lisis XSRB-H22

bSRB− H 2 ⋅ X SRB− H 2

48. Precipitación

K PRE ⋅ S PO 4 ⋅ X MEOH

49. Redisolución

K RED ⋅ X MEP

50. Desabsorción CO2

* KLaCO2 ⋅ SCO2 − SCO 2

35. Oxidación anaerobia del Ac. propiónico 36. Conversión del ácido acético en metano

µ PRO ⋅ I O 2 ⋅ I NO3 ⋅ M NH 4 ⋅ M PO 4 ⋅

( ⋅ (S ⋅ (S

−S

* O2

)

51. Desabsorción O2

KLaO 2

52. Desabsorción CH4

KLaCH 4

53. Desabsorción H2

KLaH 2 ⋅ S H 2 − S

54. Desabsorción N2

−S

KLaN 2

O2

CH 4

( ⋅ (S

N2

S PRO K H 2S ⋅ ⋅ I pH ⋅ X SRB− PRO K PRO + S PRO K H 2 S + S H 2 S

S AC K H 2S ⋅ ⋅ I pH ⋅ X SRB− AC K AC + S AC K H 2 S + S H 2 S

SH 2 K H 2S S IC ⋅ ⋅ ⋅ I pH ⋅ X SRB− H 2 K H 2 + S H 2 K H 2 S + S H 2 S K IC + S IC

)

* − S CH 4

* H2

* N2

)

) ) 23

Tabla 8 Cont. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS 55. Desabsorción NH3

KLa NH 3 ⋅ S NH 3 − S

56. Desabsorción H2S

KLa H 2 S ⋅ S H 2 S − S

57. Precipitación ACP

(

(

k pACP·

* NH 3

* H 2S

)

EXPRESIÓN CINÉTICA

)

K ACP1 K ACP1 + X ACP X SST

[

X ACP K ACP 2 + X ACP

k dACP·

59. Precipitación HAP

k HAP ·

60. Precipitación MAP

K MAP1 k pMAP· K MAP1 + X MAP X SST

] [PO ]

2 3− 5 4

] [PO ] 3 5

2 3− 5 4

X MAP K MAP 2 + X MAP

62. Precipitación Newberita

X New K New2 + X New

[

[

K New1 k pNew· K New1 + X New X SST

k dNew·

  ⋅  Mg 2+  

  ⋅  Mg 2+  

k dMAP·

k pViv ·

2

3 5

1   K PSACP1  5  1 + signo(IS ACP ) −  3 2   2  γD γt   

K  1  −  PSACP 3 2   γD γt 

1 5

2

  1 − signo(IS ACP )  2  

X ACP K HAP + X ACP

61. Disolución MAP

64. Precipitación Vivianita

[

  ⋅  Ca 2+  

58. Disolución ACP

63. Disolución Newberita

  ⋅  Ca 2+  

KViv1 KViv1 + X Viv X SST

1 + 3 4

[

[

1 3− 3 4

1 3− 3 4

 K −  PSMAP  γ m γ d ·γ t

 K −  PSMAP  γ m γ d ·γ t

  

1 3

1   3  1 + signo(IS MAP )   2   

3

  − 1 + signo(IS MAP )  2  

2

] [HPO ] 1 2

1 2− 2 4

] [HPO ] 1 2

  ⋅  Fe 2+  

[

] [NH ] [PO ] 1 + 3 4

] [NH ] [PO ] 1 3

  ⋅  Mg 2+  

  ⋅  Mg 2+  

3

1 3

1 2− 2 4

1   K PSNew  2  1 + signo(IS New )  −  2   2  γd   

K   −  PSNew 2  γd 

1 2

2

  1 − signo(IS New )  2   2

] [PO ] 3 5

2 3− 5 4

1   K PSViv  2  1 + signo(ISViv ) −  3 2   2  γd γt   

24

Tabla 8 Cont. Expresiones cinéticas de los procesos considerados. PROCESOS 65. Disolución Vivianita

EXPRESIÓN CINÉTICA

X Viv k dViv· KViv 2 + X Viv

k pEst ·

67. Disolución Estrengita

X Est k dEst · K Est 2 + X Est

69. Disolución Variscita

k pVar·

k dVar·

[

K Est1 K Est1 + X Est X SST

66. Precipitación Estrengita

68. Precipitación Variscita

  ⋅  Fe 2+  

KVar1 KVar1 + X Var X SST

X Var KVar 2 + X Var

[

  K PSViv   1 − signo(ISViv ) −  3 2   2  γd γt   

] [PO ] 1 2

1 3− 2 4

] [PO ] 1 2

1 3− 2 4

  ⋅  Al 3+  

[

[

K   −  PSEst 2  γt 

1 2

2

  1 + signo(IS Est )  2  

k pCal·

71. Disolución Calcita

  X Cal ⋅  Ca 2+ k dCal· K Cal2 + X Cal  

1   K PSEst  2  1 − signo(IS Est ) −  2   2  γt   

] [PO ] 1 2

1 3− 2 4

K   −  PSVar 2  γt 

1 2

2

  1 + signo(ISVar )  2  

2

] [PO ] 1 2

  ⋅  Ca 2+  

70. Precipitación Calcita

[

2

2

  ⋅  Al 3+  

K Cal1 K Cal1 + X Cal X SST

2 3− 5 4

  ⋅  Fe 2+  

  ⋅  Fe 2+  

[

] [PO ] 3 5

1 2

[

1 3− 2 4

1   K PSVar  2  1 − signo(ISVar )  −  2   2  γt   

] [CO ] 1 2

1 2− 2 3

K   −  PSCal 2  γd 

1 2

2

  1 + signo(ISCal )  2  

2

] [CO ] 1 2

1 2− 2 3

1   K PSCal  2  1 − signo(ISCal ) −  2   2  γd   

25

2.4. Procesos gobernados por el equilibrio El modelo BNRM1 ampliado, incluye como procesos gobernados por el equilibrio las interacciones ácido-base en las que participan los componentes considerados. A continuación se muestran las especies que se pueden formar mediante reacciones ácido-base y reacciones de ión común en las que están implicados los componentes considerados.

ESPECIES (i) H2O H+ PO43NH4+ CO32Ca2+ Mg2+ K+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Acetato Propionato Mg(Ac.)+ Ca(Ac.)+ K(Ac.) H(Ac.) Fe(Ac.)+ Fe(Ac.)2+ Fe(Ac.)2+ Fe(Ac.)3 Mg(Prop.)+ Ca(Prop.)+ H(Prop.) Fe(Prop.)2+ OHAlOH2+ Al(OH)2+ Al(OH)3 Al(OH)4FeOH+ Fe(OH)2 Fe(OH)3Fe(OH)2+ Fe(OH)2+ Fe(OH)3 Fe(OH)4Fe2(OH)24+ Fe3(OH)45+ MgOH+ CaOH+

H2O 1

H+

PO43-

NH4+

CO32-

COMPONENTES (j) Ca2+ Mg2+ K+

Fe2+

Fe3+

Al3+

Ac.*

Prop.**

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 2 3

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3 4 2 4 1 1

-1 -1 -2 -3 -4 -1 -2 -3 -1 -2 -3 -4 -2 -4 -1 -1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 1 1

26

ESPECIES (i) NH3 CaNH32+ Ca(NH3)22+ HPO42H2PO4H3PO4 FeH2PO4+ FeHPO4 FeH2PO42+ FeHPO4+ MgPO4MgH2PO4+ MgHPO4 CaHPO4 CaPO4CaH2PO4+ KHPO4HCO3H2CO3 FeHCO3+ MgCO3 MgHCO3+ CaHCO3+ CaCO3

H2O

H+ -1 -1 -2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 1 2 1 1 2 1

PO43-

NH4+ 1 1 2

CO32-

Fe2+

Fe3+

Al3+

Ac.*

Prop.**

1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

COMPONENTES (j) Ca2+ Mg2+ K+

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

Estos procesos gobernados por el equilibrio se describen mediante un conjunto de ecuaciones algebraicas que incluyen una expresión de la ley de acción de masas para cada una de las especies formadas en cada uno de los equilibrios y un balance de materia para cada uno de los componentes.

Ley de acción de masas:

i = 1, 2, ..., N (número de especies)

Balance de materia:

j = 1, 2, ..., N (número de componentes)

donde xj es la concentración del componente j (ML-3), aij es el coeficiente estequiométrico del componente j en la especie i y Ki es la constante de formación de la especie i corregida por las variaciones de temperatura. Este modelo químico puede encontrarse en (Serralta, et al., 2004). La resolución de estas ecuaciones algebraicas se efectúa mediante la aplicación del programa MINTEQA2, (Allison et al.,1991). MINTEQA2 es un programa de cálculo del equilibrio químico desarrollado por la U.S.E.P.A. que permite calcular las concentraciones de todas las especies 27

presentes en el equilibrio. Los datos que necesita MINTEQA2 para el cálculo del equilibrio consisten en un análisis químico del agua a calcular incluyendo las concentraciones totales de todos los componentes y otras medidas relevantes (temperatura, pH…). La formulación matemática de los modelos biológicos alrededor de los balances de materia para las concentraciones totales de cada uno de los componentes considerados da lugar a un conjunto de ecuaciones diferenciales cuya integración respecto al tiempo proporciona los cambios en las concentraciones de los distintos componentes. En cada paso de tiempos las concentraciones de las diversas especies se calculan a partir de las expresiones algebraicas antes comentadas sin modificación alguna de las concentraciones de los componentes. Por tanto, el procedimiento de cálculo incluye la iteración secuencial entre las ecuaciones diferenciales y las ecuaciones algebraicas. Las concentraciones totales de los distintos componentes, necesarias para el cálculo del equilibrio, son calculadas mediante las ecuaciones diferenciales del modelo biológico.

2.5. Valores de los parámetros del modelo La Tabla 9 muestra los valores recomendados para los distintos parámetros cinéticos considerados en el modelo. Esta tabla muestra también la referencia bibliográfica en la que se basa dicha recomendación. La tabla también muestra los valores recomendados para los distintos parámetros estequiométricos considerados en el modelo.

28

Tabla 9. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC Hidrólisis Fsi 0.00 Kh 3.00 0.60 ηNO3 0.10 ηFe KO2 0.20 KNO3 0.50 KX 0.10 Heterótrofas YH 0.63 Fxi 0.10 µH 6.00 BH 0.40 KO2 0.20 Kf 4.00 0.40 ηNO3 0.40 ηNO2 Ka 4.00 Kpro 4.00 KNO3 0.50 KNH4 0.05 KP 0.01 KNO2 0.50 KH 2.00E-07 KIH 4.35E-03 Autótrofas Yaut 0.24 Fxi 0.10 µ aut 1.00 Baut 0.15 KO2 0.50 KNH4 1.00 KP 0.01 KH 2.40E-07 KIH 8.71E-04

Unidad

Fuente

g DQO/g DQO Det. Experimental dia-1 ASM2d ASM2d ASM2d g O2·m-3 ASM2d -3 g N·m ASM2d g DQO/g DQO ASM2d g DQO/g DQO ASM2d g DQO/g DQO ASM2d dia-1 ASM2d -1 dia ASM2d g O2·m-3 ASM2d -3 g DQO·m ASM2d ASM2d g DQO·m-3 ASM2d g DQO·m-3 ASM2d -3 g N·m ASM2d g N·m-3 ASM2d -3 g P·m ASM2d -3 g N·m mol H+·m-3 Henze et al., 1997 mol H+·m-3 Henze et al., 1997 g DQO/g N ASM2d g DQO/g DQO ASM2d dia-1 ASM2d -1 dia ASM2d -3 g O2·m ASM2d g N·m-3 ASM2d -3 g P·m ASM2d + -3 mol H ·m Henze et al., 1997 mol H+·m-3 Henze et al., 1997

29

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC Unidad Amoniooxidantes Yamm 0.17 g DQO/g N Fxi 0.10 g DQO/g DQO µ amm 1.00 dia-1 Bamm 0.15 dia-1 KO2 0.52 g O2·m-3 KNH4 0.54 g N·m-3 KiNO3 10000.00 g N·m-3 KihNO2 1.30E-02 g N·m-3 KP 0.01 g P·m-3 KH 1.00E-07 mol H+·m-3 KIH 1.00E-03 mol H+·m-3 Aih 2.64 mol H+ -1·m3 Ah 2.74 mol H+ -1·m3 Nitritooxidantes Ynit 0.07 g DQO/g N Fxi 0.10 g DQO/g DQO µ nit 0.50 dia-1 Bnit 7.50E-02 dia-1 KO2 0.67 g O2·m-3 KNH4 0.01 g N·m-3 KNO2 0.26 g N·m-3 KiNH3 10000.00 g N·m-3 KihNO2 1000.00 g N·m-3 KP 0.01 g P·m-3 KIH 1.25E-04 mol H+·m-3 Aih 6.90 mol H+ -1·m3 Organismos acumuladores de polifosfato Ypao 0.63 g DQO/g DQO Ypo4 0.40 g P/g DQO Ypha 0.20 g DQO/g DQO Fxi 0.10 g DQO/g DQO Qpha 3.00 g DQO/(g PAO·dia) Qpp 1.50 g PP/(g PAO·dia) µ pao 1.00 dia-1 Bpao 0.20 dia-1 Bpp 0.20 dia-1 Bpha 0.20 dia-1 KNO3 0.50 g N·m-3 µ NO3 0.40 KNO2 0.50 g N·m-3 µ NO2 0.40 KNH4 0.05 g N·m-3 KO2 0.20 g O2·m-3 Ka 4.00 g DQO·m-3

Fuente ASM2d ASM2d Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 ASM2d Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 ASM2d ASM2d Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 ASM2d Jiménez, 2010 ASM2d Jiménez, 2010 Jiménez, 2010 ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d 30

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC Unidad Organismos acumuladores de polifosfato Kpro 4.00 g DQO·m-3 KP 0.01 g P·m-3 KPS 0.20 g P·m-3 Kalk 0.10 mol HCO3-·m-3 Kpp 0.01 g PP/ g PAO Kmax 0.34 g PP/ g PAO Kipp 0.02 g PP/ g PAO Kphapao 0.01 g PHA/ g PAO Kphapp 0.01 g PHA/ g PP Kh 6.00E-07 mol H+·m-3 Kih 4.19E-04 mol H+·m-3 Kmg 1.00E-03 g Mg·m-3 Kk 1.00E-03 g K·m-3 Acidogénicas Yacid 0.15 g DQO/g DQO Fxi 0.20 g DQO/g DQO Fac 0.58 g DQO/g DQO Fpro 0.25 g DQO/g DQO µ acid 1.28 dia-1 Bacid 0.33 dia-1 Kf 15.00 g DQO·m-3 KNO3 0.50 g N·m-3 Kh2s 250.00 g H2S·m-3 KO2 0.20 g O2·m-3 Ka 6500.00 g DQO·m-3 Kh2 35.00 g DQO·m-3 Kh 2.00E-07 mol H+·m-3 Kih 4.35E-03 mol H+·m-3 Knh4 0.05 g N·m-3 Kp 0.01 g P·m-3 Hidrólisis Acidogénicas Fsi 0.05 g DQO/g DQO KO2 0.20 g O2·m-3 Kh 43.00 dia-1 Kx 150.00 g DQO/g DQO Kno3 0.50 g N·m-3

Fuente ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d ASM2d Filipe et al., 2001 Filipe et al., 2001 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Ajuste Ajuste Ajuste Ajuste Ajuste Det. Experimental ASM2d Ajuste Siegrist et al., 1993 Henze et al., 1997 Henze et al., 1997 ASM2d ASM2d Siegrist et al., 1993 ASM2d Ajuste Ajuste -

31

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC Unidad Acetogénicas Ypro 0.05 g DQO/g DQO Fxi 0.20 g DQO/g DQO Fac 56.84E-02 g DQO/g DQO µ pro 17.67E-02 dia-1 Bpro 2.79E-02 dia-1 Kpro 10.00 g DQO·m-3 KNO3 0.50 g N·m-3 Kh2s 250.00 g H2S·m-3 KO2 0.20 g O2·m-3 Ka 1500.00 g DQO·m-3 Kh2 0.60 g DQO·m-3 Kh 1.00E-05 mol H+·m-3 Kih 6.30E-04 mol H+·m-3 Knh4 0.05 g N·m-3 Kp 0.01 g P·m-3 Metanogénicas Acetotróficas Ymac 0.025 g DQO/g DQO Fxi 0.20 g DQO/g DQO µ mac 10.57E-02 dia-1 Bmac 2.79E-02 dia-1 Ka 30.00 g DQO·m-3 KNO3 0.50 g N·m-3 Kh2s 215.00 g H2S·m-3 KO2 0.20 g O2·m-3 Ka 30.00 g DQO·m-3 Kh 1.00E-05 mol H+·m-3 Kih 6.30E-04 mol H+·m-3 Knh4 0.05 g N·m-3 Kp 0.01 g P·m-3 Metanogénicas Hidrogenotróficas Ymh2 4.55E-02 g DQO/g DQO Fxi 0.20 g DQO/g DQO µ mh2 55.13E-02 dia-1 Bmh2 11.18E-02 dia-1 KNO3 0.50 g N·m-3 Kh2 0.60 g DQO·m-3 KO2 0.20 g O2·m-3 Kh 1.00E-05 mol H+·m-3 Kih 6.30E-04 mol H+·m-3 Knh4 0.05 g N·m-3 Kp 0.01 g P·m-3 Kh2s 225.00 g H2S·m-3

Fuente Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Det. Experimental ASM2d Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 ASM2d ASM2d Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Det. Experimental ASM2d Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 ASM2d ASM2d Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 Siegrist et al., 1993 ASM2d ASM2d Det. Experimental

32

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC SRB-PRO Ysrb-pro 3.29E-02 Fxi 0.20 µ srb-pro 3.65 Bsrb-pro 0.01 Kpro 34.00 Kso4 19.20 KO2 0.20 Kh 1.00E-05 Kih 6.30E-04 Knh4 0.05 Kp 0.01 Kh2s 276.00 Kno3 0.50 SRB-AC Ysrb-ac 3.42E-02 Fxi 0.20 µ srb-ac 1.50 Bsrb-ac 1.50E-02 Ka 24.00 Kso4 9.60 KO2 0.20 Kh 1.00E-05 Kih 6.30E-04 Knh4 0.05 Kp 0.01 Kh2s 265.00 Kno3 0.50 SRB-H2 Ysrb-h2 3.66E-02 Fxi 0.20 µ srb-h2 3.17 Bsrb-h2 0.01 Kh2 0.07 Kso4 9.98 KO2 0.20 Kh 1.00E-05 Kih 6.30E-04 Knh4 0.05 Kp 0.01 Kh2s 265.00 Kno3 0.50

Unidad

Fuente

g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 dia-1 Lizarralde et al., 2010 dia-1 Vyacheslav et al., 2003 g DQO·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g S·m Lizarralde et al., 2010 g O2·m-3 Lizarralde et al., 2010 + -3 mol H ·m Lizarralde et al., 2010 mol H+·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010 -3 g P·m Lizarralde et al., 2010 g H2S·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010 g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 dia-1 Lizarralde et al., 2010 dia-1 Vyacheslav et al., 2003 g DQO·m-3 Lizarralde et al., 2010 g S·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g O2·m Lizarralde et al., 2010 + -3 mol H ·m Lizarralde et al., 2010 mol H+·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010 -3 g P·m Lizarralde et al., 2010 g H2S·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010 g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 dia-1 Lizarralde et al., 2010 -1 dia Vyacheslav et al., 2003 -3 g DQO·m Lizarralde et al., 2010 g S·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g O2·m Lizarralde et al., 2010 + -3 mol H ·m Lizarralde et al., 2010 mol H+·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010 -3 g P·m Lizarralde et al., 2010 g H2S·m-3 Lizarralde et al., 2010 -3 g N·m Lizarralde et al., 2010

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Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC Unidad Precipitación Kpre 1.00 m3 (g Fe(OH)3)-1·dia-1 Kred 0.60 dia-1 Kalk 0.50 mol HCO3-·m3 Estruvita Kps_map 54.95E-15 mol/l Kp_map 6.00E+08 l/ mol/d Kd_map 2.00E+08 l/ mol/d Kmap1 6.00E-10 M/g/m3 Kmap2 2.00E-04 mol/l Newberita Kps_new 15.85E-06 mol/l Kp_new 6.00E+08 l/ mol/d Kd_ new 2.00E+08 l/ mol/d K new1 6.00E-10 M/g/m3 K new2 2.00E-04 mol/l Variscita Kps_var 1.00E-21 mol/l Kp_ var 6.00E+08 l/ mol/d Kd_ var 2.00E+08 l/ mol/d K var1 6.00E-10 M/g/m3 K var2 2.00E-04 mol/l Estrengita Kps_est 39.81E-28 mol/l Kp_ est 6.00E+08 l/ mol/d Kd_ est 2.00E+08 l/ mol/d K est1 6.00E-10 M/g/m3 K est2 2.00E-04 mol/l Vivianita Kps_viv 1.00E-36 mol/l Kp_ viv 6.00E+08 l/ mol/d Kd_ viv 2.00E+08 l/ mol/d K viv1 6.00E-10 M/g/m3 K viv2 2.00E-04 mol/l Calcita Kps_cal 1.00E-36 mol/l Kp_ cal 6.00E+08 l/ mol/d Kd_ cal 2.00E+08 l/ mol/d K cal1 6.00E-10 M/g/m3 K cal2 2.00E-04 mol/l

Fuente ASM2d ASM2d ASM2d Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011

34

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parámetros cinéticos y estequiométricos del modelo.

Parámetros Valor a 20ºC ACP Kps_acp 1.00E-26 Kp_ acp 6.00E+08 Kd_ acp 2.00E+08 K acp1 6.00E-10 K acp2 2.00E-04 Siderita Kps_sid 19.95E-12 Kp_ sid 6.00E+08 Kd_ sid 2.00E+08 K sid1 6.00E-10 K sid2 2.00E-04 Magnesita Kps_mag 34.67E-08 Kp_ mag 6.00E+08 Kd_ mag 2.00E+08 K mag1 6.00E-10 K mag2 2.00E-04 HAP Kp_hap 2.00E-03 Khap 5.00E-04

Unidad

Fuente

mol/l l/ mol/d l/ mol/d M/g/m3 mol/l

Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011

mol/l l/ mol/d l/ mol/d M/g/m3 mol/l

Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011

mol/l l/ mol/d l/ mol/d M/g/m3 mol/l

Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011 Barat et al., 2011

mol/l mol/l

Barat et al., 2011 Barat et al., 2011

La Tabla 10 muestra los valores de los factores de conversión para los contenidos en nitrógeno, fósforo, carbono, azufre, solidos, calcio, potasio, magnesio y hierro de las distintas fracciones de la materia orgánica.

35

Tabla 10. Valores recomendados para los factores de conversión.

Nitrógeno

Fósforo

Carbono

insi 0.0100 ipsi 0.0000 icsi 0.0300 insf 0.0300 ipsf 0.0100 icsf 0.0270 inxi 0.0300 ipxi 0.0100 icxi 0.0300 inxs 0.0400 ipxs 0.0100 icxs 0.0300 inbm 0.0700 ipbm 0.0200 icbm 0.0310 Azúfre SST Calcio issi 0.0100 isstxi 0.7000 icasi 0.0000 issf 0.0300 isstxs 0.7000 icasf 0.0000 isxi 0.0300 isstbm 0.7000 icaxi 0.0000 isxs 0.0400 icaxs 0.0000 isbm 0.0700 icabm 0.035 Potasio Magnesio Hierro ikxp 0.3500 imgxpp 0.2800 ifesi 0.0000 p

iksi iksf ikxi Ikxs ikbm

0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008

imgsi imgsf imgxi imgxs imgbm

0.0015 ifesf 0.0015 ifexi 0.0015 ifexs 0.0015 ifebm 0.0015

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

3. MODELO MATEMÁTICO DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓN DESASS incluye un modelo unidimensional basado en la teoría del flujo que permite simular el comportamiento dinámico de los fangos activados incluyendo el tanque de aireación y el decantador secundario. Asimismo permite representar la dinámica de los decantadores primarios y espesadores considerando los procesos de generación de ácidos volátiles. El modelo del decantador incluye las zonas de clarificación, sedimentación y compresión del fango, de forma que se pueden obtener no sólo las concentraciones del efluente y de la recirculación de fangos, sino también el perfil de concentraciones en el decantador. De esta manera, se podrá conocer la posición del manto de fangos en cada momento y la capacidad de almacenamiento de fangos del decantador.

36

3.1. Modelo de flujo unidimensional En este modelo, se asume que los gradientes horizontales de concentración de sólidos en el decantador son despreciables, y por tanto, sólo se modelan los procesos en la dirección vertical. El modelo de decantación se basa en la teoría del flujo de sólidos propuesta por Kynch en 1952. Esta teoría afirma que la velocidad de sedimentación de los sólidos en una suspensión sólo varía con la concentración inicial en la zona de sedimentación retardada. Según este modelo, el flujo total de sólidos que se produce en el decantador se puede expresar como: jT = jb + jS es decir, la suma del flujo debido a la sedimentación (jS) y el flujo debido al arrastre de sólidos producido por los caudales de agua sobrenadante y de fango espesado (jb). El flujo debido al arrastre se puede expresar como: jb = V · X donde V es la velocidad del agua o del fango y depende de la sección del decantador y la zona del decantador donde se evalúe (ver Figura 1):

- Parte superior a la alimentación (y ≥ yf):

- Parte inferior a la alimentación (y < yf):

Figura 1. Esquema de un decantador

El flujo de sólidos debido a la sedimentación será el producto de la velocidad de sedimentación de los sólidos por la concentración de sólidos existente: jS = VS · X

37

3.1.1. Velocidad de sedimentación zonal

De todos los modelos propuestos por esta teoría del flujo, el más aceptado y utilizado es el modelo exponencial de Vesilind (1968):

VZS = V0 · exp(-n·X) Este modelo es válido únicamente en el intervalo de concentraciones donde se puede asumir que se produce una sedimentación zonal. Mediante experimentos de sedimentación en una probeta graduada para disoluciones con distintas concentraciones de sólidos, se pueden obtener los valores de la velocidad de sedimentación zonal por simple observación del descenso de la interfase que separa los sólidos que sedimentan del líquido clarificado (Ver Figura 2). Estos valores de la velocidad se pueden ajustar con el modelo de Vesilind obteniendo los parámetros V0 y n para el fango estudiado (Ver Figura 3). Estos parámetros se han determinado en muchos experimentos realizados por diversos autores (Pitman, 1984; Ekama et al., 1984; Daigger y Roper, 1985) para fangos de diferentes sedimentabilidades. Los fangos fácilmente sedimentables tienen valores de V0 altos y valores de n bajos. Según estos experimentos, el parámetro V0/n (que tiene unidades de flujo, kg/m2·h) define la sedimentabilidad del fango según la teoría del flujo de sólidos.

Figura 2. Altura de la interfase sólido-líquido observada en experimentos en probeta para diferentes valores de la concentración inicial de sólidos en función del tiempo (Ekama et al., 1997).

38

Figura 3. Obtención de los parámetros de sedimentabilidad del fango para el intervalo de concentraciones de sedimentación zonal (Ekama et al., 1997).

La obtención de los parámetros V0 y n experimentalmente requiere por lo menos entre 6 y 10 experimentos de sedimentación con un intervalo de concentraciones de 2 a 12 g/l. Esto supone un elevado tiempo de experimentación, ya que para concentraciones superiores a los 6 g/l, el experimento para determinar la velocidad de sedimentación zonal puede alargarse más de 3 horas. Dado el trabajo que supone la obtención de estos parámetros para cada fango, y también los problemas de desnitrificación que pueden aparecer en las columnas de sedimentación, se han propuesto diversas correlaciones empíricas de V0 y n con los diferentes parámetros de sedimentabilidad de los fangos. De esta manera se pueden obtener valores aproximados de V0 y n a partir de los valores de determinados parámetros que no requieren tanto tiempo experimental.

3.1.1.1. Sedimentabilidad de los fangos La sedimentabilidad de un fango se puede cuantificar mediante dos aproximaciones basadas en distintos parámetros. La primera aproximación se basa en el volumen ocupado por el fango después de un tiempo fijo de sedimentación, mientras que la segunda aproximación se basa en la velocidad de sedimentación zonal. Estos dos métodos para determinar la sedimentabilidad del fango se basan en experimentos realizados en una probeta, aunque como se explicó previamente, la primera aproximación resulta más cómoda, ya que se pueden obtener valores de la sedimentabilidad incluso 39

con un solo experimento de sedimentación. Los parámetros de sedimentabilidad más importantes en los que se basa la primera aproximación son los siguientes:

- Índice Volumétrico del Fango (IVF) o índice de Mohlman. Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango sedimentado después de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro. - Índice Volumétrico del Fango Diluido (IVFD). Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango después de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro, con la previsión de que dicho volumen esté comprendido entre 150 y 250 ml/l.

- Índice Volumétrico del Fango Agitado a 3’5 g/l (IVFA3’5). Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango después de decantar 30 minutos en una probeta estándar, de 100 de diámetro y 500 mm de altura, agitada suavemente (1 rpm), partiendo de una concentración inicial estándar de 3’5 g/l. El IVFA3’5, a pesar de que se considera el mejor parámetro de los tres, requiere un equipamiento específico para poder realizar los experimentos y por eso no es tan fácil de obtener. Un método más sencillo de obtener la sedimentabilidad del fango consiste en utilizar el IVF y IVFD según se obtenga un volumen de fango sedimentado (VF30) menor o mayor que 250 ml/l respectivamente, ya que a partir de este valor, el IVF comienza a depender de la concentración del fango utilizada. La metodología del experimento propuesto es la siguiente:

1) Obtención del VF30 del fango de concentración X. (Volumen de un litro de fango después de 30 minutos de sedimentación).

2) Si el VF30 es menor de 250 ml/l, entonces el IVF será:

3) Si el VF30 resulta ser mayor de 250 ml/l, entonces se diluye el fango a una concentración Xdil., de manera que se cumpla que el VFD30 se encuentre en el intervalo de 150 a 250 ml/l. De esta manera se obtiene el IVFD como:

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4) A partir de este IVFD se puede estimar el IVF del fango en base a una correlación empírica entre los dos índices realizada por Merkel (1971) a partir de un gran número de datos experimentales.

ecuación válida para el intervalo de VF30 de 250 a 800 ml/l. A partir del valor obtenido de IVF ó IVFD se pueden calcular los parámetros del modelo de sedimentación zonal (V0 y n) utilizando las correlaciones que se muestran en la Tabla 11.

3.1.2. Expresión general de la velocidad de sedimentación La expresión siguiente de la velocidad de sedimentación, ya mostrada con anterioridad, solamente describe el comportamiento de la sedimentación zonal, pero en los decantadores también se producen otros procesos que afectan al flujo de sólidos, como son la sedimentación floculada y la compresión del fango, que también han de quedar bien definidos para poder obtener un modelo de flujo general. VZS = V0 · exp(-n·X)

3.1.2.1. Sedimentación floculada El efecto de la sedimentación floculada se considera importante en las capas más elevadas del decantador, donde la concentración de sólidos es demasiado baja como para que se pueda producir una sedimentación zonal.

Se ha comprobado (Patry i Takács, 1992) que en esta zona de bajas concentraciones, la velocidad de sedimentación aumenta con la concentración de sólidos debido a que el efecto de floculación es más importante cuanto mayor sea la concentración de sólidos. 41

Esta floculación se podría explicar como el aumento del tamaño medio de las partículas de mayor diámetro debido al arrastre de las partículas de menor diámetro (más numerosas) que se encuentran por el camino durante la sedimentación. Este efecto de arrastre se produce por las diferentes velocidades con que sedimentan las partículas discretas en función de su tamaño.

Por tanto, el efecto de la floculación será mayor a medida que aumenta la concentración de sólidos. Así, la velocidad de sedimentación aumentará hasta llegar a un valor máximo de la velocidad de sedimentación efectiva (VSmax). Esta velocidad máxima se puede entender como el momento en el que las partículas de mayor diámetro ya han arrastrado a la gran mayoría de las de menor diámetro y se ha conseguido un estado de igualdad de diámetros (y por tanto, también de velocidades de sedimentación discreta) entre las partículas que anula el efecto de floculación anterior. Las concentraciones de sólidos para las que se produce este efecto de extinción de la floculación dependen de las características del fango, fundamentalmente de la distribución de tamaños de partícula en los fangos introducidos al decantador y de la facilidad de las partículas para flocular. En la Figura 4 se puede ver la variación de la velocidad de sedimentación en función de la concentración del fango.

42

Tabla 11. Recopilación de correlaciones hechas por diferentes investigadores para obtener los parámetros V0 (en m/h) y n (en l/g) en función de los parámetros de sedimentabilidad del fango (Ekama et al., 1997).

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Teniendo en cuenta estas consideraciones, la expresión general para la velocidad de sedimentación se puede expresar de la siguiente forma (Takács et al., 1991):

donde X* es la concentración de sólidos sedimentables, es decir, el total de sólidos existentes (X) menos los sólidos no sedimentables (Xmin).

Figura 4. Velocidad de sedimentación considerando la sedimentabilidad de sólidos dispersos y floculados (Ekama et al., 1997).

Los sólidos no sedimentables se pueden obtener en función de la fracción de sólidos no sedimentables existentes en el fango (fns) según la siguiente expresión: Xmin = fns · Xf y por tanto, X* = X - fns · Xf Según este modelo global, para obtener la velocidad de sedimentación de un fango en el 44

decantador en función de la concentración de sólidos existente en cada zona del mismo, debemos conocer los siguientes parámetros para ese fango:

V0 (m/h): Máxima velocidad de sedimentación zonal. VSmax (m/h): Máxima velocidad de sedimentación efectiva. rh (m3/g): Parámetro característico de la sedimentación zonal. rp (m3/g): Parámetro característico de la sedimentación floculada. fns : Fracción no sedimentable de los sólidos en la entrada.

3.1.3. Efecto de las zonas de transición y compresión del fango El modelo anterior para la velocidad de sedimentación sólo tiene en cuenta el comportamiento de los sólidos desde concentraciones muy bajas hasta concentraciones altas donde aún se produce una sedimentación zonal. Por tanto, no representa el comportamiento de los sólidos cuando dejan la sedimentación zonal y el fango comienza a comprimirse por el propio peso de los sólidos que van sedimentando. Este efecto de compresión hará que la velocidad de sedimentación real en las capas inferiores del decantador sea muy inferior a la que se obtendría si la sedimentación fuera zonal con esa misma concentración. Härtel y Pöpel (1992), propusieron una función correctora para tener en cuenta este efecto de reducción de la velocidad de sedimentación. Esta función (Ω) solamente debe ser aplicable para las zonas de transición y compresión que aparecen en las capas más bajas del decantador. Por lo tanto, para las capas más elevadas, Ω = 1 mientras que a partir de la zona de transición, el valor de Ω irá disminuyendo hasta anular la velocidad de sedimentación en el fondo del decantador (Figura 5).

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Figura 5. Factor de corrección de la sedimentación para una alimentación al decantador a 1’8 m del fondo del decantador. (Härtel y Pöpel, 1992).

Otterpohl y Freund (1992) propusieron la siguiente ecuación para corregir el flujo de sedimentación en función de la altura en el decantador:

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donde:

Con esta función correctora, el flujo de sedimentación de sólidos será: jS = Ω(z) · VS(X) · X

3.2. Implementación del modelo Teniendo en cuenta que el flujo de sólidos viene determinado por la suma del flujo por arrastre y el flujo de sedimentación, la ecuación diferencial que describe el proceso de sedimentación en la dirección vertical de los decantadores y espesadores será:

Para poder obtener el perfil de concentraciones que se establece en el decantador desde la concentración del agua sobrenadante hasta la concentración del fango espesado, se divide el decantador en N capas de igual altura y se aplica un balance de materia a cada una, considerando cada capa como un reactor de tanque agitado. Las entradas y salidas de materia de cada capa vienen dadas por el flujo total de sólidos que se establece en el decantador. En la capa de alimentación estará la entrada de agua proveniente del 47

reactor de fangos activados y las capas inferior y superior del decantador tendrán las salidas de fango espesado y efluente respectivamente (ver Figura 6).

Figura 6. Esquema del decantador con los flujos de sólidos entre las diferentes capas para la zona de clarificación, alimentación y sedimentación.

En este modelo de capas se ha introducido una restricción al flujo de sedimentación de modo que el flujo de una capa está limitado por el flujo de sedimentación de la capa inferior (Jeppsson y Diehl, 1996). Teniendo en cuenta el tratamiento discreto del decantador, y para evitar problemas de cálculo debidos a la no linealidad del flujo en función de la concentración, se considera que el flujo de sólidos que pasan de una capa a otra será el mínimo que se obtenga en el intervalo de concentraciones correspondiente entre las dos capas cuando el gradiente de concentraciones es positivo o el máximo, cuando el gradiente de concentraciones es negativo, es decir:

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De esta forma se asegura que el perfil de concentraciones no pueda tener un gradiente de concentración inverso debido a las ondas de choque que se puedan producir en la sedimentación.

3.2.1. Modelo biológico del decantador Para poder modelar los procesos biológicos que se producen en el decantador se ha utilizado la misma estructura de cálculo que en los reactores de fangos activados, considerando las capas del decantador como una serie de reactores donde las salidas y entradas de materia vienen dadas por los flujos de sedimentación que se establecen en función de la concentración de sólidos totales en cada capa. De esta forma, al dividir el decantador en 10 capas, es como si se tuviera 10 reactores en serie. Para resolver el sistema de ecuaciones para cada elemento del modelo primero hay que conocer la cantidad de materia que pasa de una capa a otra. Por tanto, primero se resuelve la sedimentación del fango para obtener las velocidades de los sólidos (magnitudes y sentido de movimiento), y después se resuelve el sistema de ecuaciones con la correspondiente generación de cada elemento en cada capa y se vuelve a calcular las concentraciones de sólidos totales. El proceso de cálculo se repite en cada iteración hasta que la variación de las variables entra dentro de los límites exigidos en el criterio de convergencia.

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4. PROGRAMA DESASS Conocidas las características teóricas del modelo BNRM1 ampliado, se procede a especificar cada uno de los elementos del programa.

4.1. Generalidades El programa DESASS ha sido diseñado para funcionar bajo el sistema operativo Windows (en sus diferentes versiones), en una plataforma PC (ordenador personal compatible). Los compiladores utilizados para el desarrollo del programa fueron el Visual Studio 2008 y el Fortran Power Station (FPS) 4.0, ambos diseñados por Microsoft. Mediante la selección del lenguaje Visual Basic.NET se facilitó el uso de la filosofía Windows para el entorno donde se desarrolla el programa. Por otra parte, el programa FPS permitió el desarrollo de potentes subrutinas de cálculo numérico con la ayuda de las librerías de matemáticas IMSL contenidas en éste programa. El vínculo de las subrutinas compiladas en FPS con el lenguaje de programación Visual Basic se llevó a cabo mediante la utilización de librerías enlazadas dinámicamente (DLL) que son características del entorno Windows.

Se ha aplicado básicamente la técnica de programación modular, que consiste en la división del programa en pequeños módulos que contienen y comparten procedimientos afines. De esta forma se hace una mejor gestión de la memoria RAM del ordenador debido a que los procedimientos de cada módulo sólo se utilizan en caso de que algún otro módulo lo requiera, en caso contrario permanecen sin valor alguno para el programa.

4.2. Ventana principal La comunicación con el usuario se realiza de una manera gráfica e interactiva a través de la ventana principal que se muestra una vez el usuario haya ejecutado el archivo DESASS.exe (ver Figura 7). Se pueden ejecutar simultáneamente varios proyectos en diferentes ventanas principales de DESASS, con el fin de analizar de forma rápida y sencilla los resultados obtenidos con distintas alternativas (Windows administrará la memoria para ello). En la ventana principal se encuentran dos zonas bien definidas, la primera zona es la superior, destinada para las opciones del proyecto y a la vez para los botones de rápido acceso, y la segunda es la zona inferior destinada para la configuración del proyecto.

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Figura 7. Ventana principal de DESASS

La ventana principal consta de los siguientes elementos: Barra de título: Se encuentra en la parte superior de la ventana y en ella aparece el nombre del programa, junto con los botones de ajuste de tamaño de la ventana. Cuando se abre o se guarda un proyecto, aparece la ruta donde se encuentra el proyecto. Ventana de trabajo: Es el área donde se construye el diagrama de flujo del esquema de tratamiento. Barra de menú: Se encuentra bajo la barra de título y a través de ella el usuario indica las operaciones generales a efectuar por DESASS. Línea de botones: Se encuentra bajo la barra de menú y facilitan la ejecución de las acciones. 51

Contador: Está colocado en la parte derecha de la ventana principal, junto a la línea de botones. En diseño muestra el número de iteraciones realizadas en el cálculo del estado estacionario, en simulación muestra

el

tiempo

simulado

(en

formato,

Días

-

Horas:Minutos:Segundos).

4.2.1. Barra de menú La barra de menú está compuesta de las siguientes opciones: Archivo, Dimensionamiento, Insertar Esquema, Utilidades, Gráficos, Idioma y Ayuda.

Figura 8. Vista de la barra de menú.

Desde la opción Archivo de la barra de menú, Figura 9, se ejecutan las acciones relacionadas con el manejo de archivos de los proyectos que se van a construir o aquéllos que se van a recuperar. En esta opción se incluyen las siguientes acciones:

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Figura 9. Desplegable del menú Archivo.

Nuevo: Inicia un nuevo proyecto preguntando al usuario si desea abandonar el proyecto actual, pero antes llama a la acción Borrar pantalla. Borrar pantalla: Borra el diagrama de flujo actual en la ventana de trabajo. Abrir: Abre un proyecto recuperando los datos correspondientes a la última vez que se guardó el proyecto. La extensión del fichero principal del proyecto es .dspx. Existen otros ficheros con extensión .dat donde se almacenan los resultados necesarios para las representaciones gráficas. Guardar/Guardar como: Graba un Proyecto. La ejecución de un proyecto por primera vez requiere que éste se guarde en un directorio. Los archivos .dat para las representaciones gráficas se almacenarán en ese directorio. Guardar constantes cinéticas: Guarda en un archivo los valores de las constantes cinéticas.

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Cargar constantes cinéticas: Recupera el archivo de las constantes cinéticas guardadas en el disco duro. Listados: Permite exportar los resultados obtenidos en los distintos elementos de tratamiento a un archivo de Microsoft Excel. Color de pantalla: Permite al usuario seleccionar el color de fondo de la ventana principal en función de su preferencia. Salir: Termina la ejecución del programa DESASS.

Desde la opción Dimensionamiento, Figura 10, se ejecutan todas las acciones para el inicio del cálculo del proyecto. El cálculo del proyecto solo debe realizarse cuando se haya introducido el diagrama de flujo.

Figura 10. Desplegable del menú Dimensionamiento.

Iniciar: Inicia los cálculos tanto en régimen estacionario (Diseño) como en régimen transitorio (Simulación) (esta función también se puede realizar desde el teclado mediante la tecla F5). Esta opción activa el algoritmo general de cálculo para todos los elementos (operaciones unitarias) que contiene el proyecto. Dicho algoritmo se ha diseñado para que cada elemento en particular sea resuelto como un módulo independiente. Una vez el cálculo se ha terminado, el usuario puede activar las ventanas de resultados para cada elemento con el botón derecho del ratón. 54

Iniciar paso a paso: Realiza las mismas funciones que la acción Iniciar pero una vez terminado el cálculo, muestra una a una las ventanas de resultados para cada elemento (esta función también se puede realizar desde el teclado mediante la tecla F6). Maquinaria auxiliar: Esta acción ejecuta el módulo de maquinaria donde el usuario puede consultar o modificar los datos existentes para diversos tipos de maquinaria.

La opción Insertar Esquema permite al usuario la creación de aquellos esquemas más frecuentemente utilizados en la fermentación de fango primario y en los sistemas de fangos activados evitando tener que colocar los elementos y las líneas de unión entre ellos. Los esquemas de fermentación de fango primario que se pueden crear de esta forma contemplan la elutriación en el fango primario en el propio decantador y/o en un fermentador, con purga antes o después del fermentador, y la elutriación con un espesador. Los esquemas de fangos activados que se pueden crear de esta forma incluyen desde el esquema típico para la eliminación de materia orgánica (1 único reactor aerobio, reactor aerobio con flujo de pistón) hasta esquemas diseñados para la eliminación de nitrógeno (Anóxico/Aerobio, Bardenpho), eliminación fósforo (A/O) o ambos nutrientes (A2O y UCT). Una vez insertado el esquema el usuario debe definir las propiedades de cada uno de los elementos antes de proceder con el cálculo.

Desde la opción Utilidades se puede controlar la ejecución del proyecto actual. En esta opción se incluyen las siguientes acciones: Opciones: En la pantalla que aparece ejecutando esta acción se fija el número máximo de iteraciones a realizar por el programa, el criterio de convergencia, el tiempo máximo de simulación, el intervalo deseado para que el programa guarde los datos necesarios para las representaciones gráficas. Dentro de esta pantalla conviene destacar la opción Calcular 55

Invierno y Verano especialmente útil cuando el esquema de tratamiento y las características del agua residual son idénticas en ambas estaciones. En esa situación conviene desactivar dicha opción evitando así la duplicidad de los cálculos con el consiguiente ahorro de tiempo.

Figura 11. Pantalla de opciones generales.

Opciones de cálculo: Desde esta opción se pueden establecer de forma global propiedades y opciones de cálculo para todos los elementos, sin necesidad de definirlas para cada elemento en particular. Así el usuario puede fijar condiciones de diseño o de simulación para todos los elementos (Poner todo en Diseño, Poner todo en Simulación), activar el cálculo de la sedimentación en decantadores

primarios,

secundarios

y

espesadores

(Calcular

Sedimentación), fijar la utilización de la solución anterior para el inicio de un nuevo cálculo (Utilizar Solución Anterior), activar el cálculo del sistema de aireación en reactores y digestores aerobios así como el sistema de control (Calcular Aireación, Simulación con Control), activar el cálculo de la formación de los distintos precipitados a lo largo de todo el proceso, permitiendo seleccionar los compuestos que son más propensos a 56

formarse (Precipitación), activar la opción de cálculo del proceso de Nitrificación en dos etapas, actuando dos grupos de bacterias, Amonioxidantes y Nitritoxidantes, o en una sola etapa (actúan solamente las bacterias Autótrofas) más las bacterias Anammox. (Nitrificación en dos etapas + Anammox) y reducir la velocidad de muerte de las bacterias autótrofas ya que éstas en condiciones anóxicas y anaerobias se encuentran aletargadas sin morir de forma excesiva (Reducir velocidad de muerte en condiciones Anóxicas y Anaerobias (%)).

Figura 12. Desplegable del menú Opciones de Cálculo.

Ver: Permite al usuario conocer qué elementos de tratamiento se encuentran resueltos (Elementos Resueltos), cuáles se están resolviendo en ese instante (Elementos en Resolución), así como la estructura de resolución de cálculo utilizada por el programa (Estructura de los Bucles).

La opción Gráficos (Figura 13) permite activar todas las acciones para la representación gráfica de cada una de las variables en los distintos elementos.

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Figura 13. Desplegable del menú Gráficos.

La opción Idioma permite seleccionar, entre varias alternativas, el idioma con el que se desee trabajar. Finalmente, la opción Ayuda permite el acceso a los archivos que contienen la ayuda general del programa. Ahí se explican las características más importantes de DESASS y se facilita el manejo del mismo.

4.2.2. Línea de botones La línea de botones presente en la ventana principal se muestra en la Figura 14, cada uno de ellos permite conocer la utilidad de estos simplemente acercando el puntero del ratón a dichos botones.

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Figura 14. Línea de botones del programa.

Los tres primeros botones representan las acciones de nuevo, abrir y guardar un proyecto, ya comentadas en el apartado anterior dentro de la opción Archivo. Los cuatro siguientes representan las acciones de Iniciar e Iniciar paso a paso también comentadas con anterioridad, así como las acciones de Pausar y Parar utilizados para interrumpir el cálculo y abortarlo respectivamente.

Los botones más importantes son los últimos,

a través de los cuales se

configura el diagrama de flujo del esquema de tratamiento a calcular. El diagrama de flujo es la representación lógica del sistema de tratamiento y contiene los elementos que representan a las diferentes operaciones unitarias. Para cada elemento DESASS asigna una estructura de datos que sirve para el almacenamiento de la información necesaria para los cálculos relativos a dicho elemento. Los elementos están conectados mediante líneas de unión que contienen la información que se traslada de un elemento a otro y representan las corrientes de agua, fango, aire, etc. Mediante esta forma de construcción de la planta, se ofrece una gran flexibilidad en la configuración con el fin de poder simular la mayoría de los esquemas utilizados en el campo del tratamiento de aguas residuales por medio de sistemas biológicos. Para la introducción del diagrama de flujo de la planta es necesario que se utilicen los botones centrales cuyos respectivos nombres son Poner elementos y Unir elementos. Con estas dos acciones el usuario puede construir cualquier tipo de configuración de planta que necesite. Pulsando el botón aparece otra línea de botones donde se esquematizan los diferentes elementos que están disponibles en el programa.

Figura 15. Línea de botones de elementos.

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Acercando el puntero del ratón a cada botón aparece el nombre del elemento que representa. Los elementos de tratamiento disponibles actualmente en el programa son: Decantador primario, Reactor de fangos, Decantador Secundario, Fermentador, Nudo, Espesador de Fangos, Digestor Anaerobio, Depósito Tampón, Digestor Aerobio, Deshidratación Mecánica, Añadir Reactivos, Soplante, Reactor BATCH, BioReactor de Membranas, Reactor Anaerobio de membranas, Reactor BABE y Reactor SHARON. Una vez seleccionado el elemento deseado su colocación se realiza automáticamente al activar la ventana de trabajo (zona inferior) mediante el botón izquierdo del ratón. Pulsando el botón

aparece otra línea de botones donde se esquematizan las diferentes

uniones que están disponibles en el programa.

Figura 16. Línea de botones de líneas de unión.

Acercando el puntero del ratón a cada botón aparece el nombre de la unión que representa. Las uniones existentes son: Entrada de Agua, Línea de Agua, Línea de Fango, Línea de Aire, Línea de Gas, Recirculación de Fango, Recirculación de Agua, Salida de Agua, Salida de Fango y Salida de Gas. Para unir los elementos de tratamiento hay que seleccionar la línea deseada y activar el elemento de partida de dicha línea y el elemento de llegada (si es el caso). El botón

permite volver a la pantalla de trabajo cuando ya se ha terminado de crear o

modificar el diagrama de flujo. Por último, el botón

permite mostrar u ocultar el nombre de cada

uno de los elementos. El diagrama de flujo puede modificarse en cualquier momento en el que no se esté llevando a cabo ningún cálculo. Las modificaciones que se pueden hacer al diagrama de flujo se resumen a continuación: 60

- Agregar nuevos elementos o uniones según el procedimiento explicado anteriormente. - Cambio de posición de un elemento o de una línea de unión mediante el arrastre del ratón. - Borrar un elemento o una línea de unión. Para ello se deberá seleccionar el objeto con el ratón (el borde o el nombre del elemento cambia a color rojo) y posteriormente pulsar la tecla Suprimir del teclado. Cuando se elimina un elemento el programa automáticamente borra todas las líneas de unión que parten o llegan a este elemento. Una vez configurado el proyecto, el usuario deberá definir las características del agua de entrada y asignar las propiedades a cada elemento. Para ello se debe activar el botón izquierdo del ratón sobre la flecha de entrada y sobre los distintos elementos.

4.3. Modos de operación de cálculo El programa DESASS se ha desarrollado de modo que permite el cálculo tanto de las condiciones estacionarias (Diseño) como de condiciones transitorias (Simulación). Para las condiciones de Diseño, el usuario deberá escoger la ruta, Utilidades/Opciones de Cálculo/Poner todo en Diseño. Con ello, se calcula el estado estacionario para las condiciones de invierno y de verano simultáneamente, ofreciendo así una comparación rápida de los resultados obtenidos en cada una de las estaciones. En régimen estacionario el programa desarrolla una solución basándose en las condiciones medias establecidas en planta (caudal y calidad del agua de entrada, parámetros de diseño caudales de recirculación interna…). Escogiendo la opción Simulación con la ruta Utilidades/Opciones de Cálculo/Poner todo en Simulación, se calculará el estado transitorio. En régimen transitorio el usuario simulará el funcionamiento del esquema de tratamiento por lo que dicho esquema deberá estar perfectamente definido (dimensiones y caudales de todos los elementos). El programa puede simular la evolución del sistema ante una entrada constante o ante variaciones en el caudal o la calidad en el agua de entrada. También es posible establecer en condiciones de simulación variaciones temporales de los caudales de recirculación y de purga del fango en los decantadores y espesadores.

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4.4. Características del agua residual influente Las características del agua residual influente a la planta deben definirse en la flecha de Entrada de Agua. En esta flecha se introducen los datos medios para ambas estaciones (Invierno o Verano) en el caso de Diseño y los temporales en el caso de Simulación. Para introducir los caudales y características del agua debe activarse el botón izquierdo del ratón sobre la flecha de agua. Al activar dicho botón aparece la ventana que se muestra a continuación:

Figura 17. Ventana donde se definen el caudal y las características del influente.

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La ventana de propiedades de la flecha Entrada de Agua consta de cuatro subventanas: Dotaciones y Temperatura, Cargas, Sedimentabilidad y Precipitados. En la primera subventana, se introducen para ambas estaciones los caudales de entrada a la planta en condiciones medias y punta, la temperatura, el pH y el factor punta de contaminación. Para cálculos en estado transitorio (Simulación) que estación se va a simular y si el cálculo partirá del estado estacionario o del último cálculo realizado. En la subventana Cargas, se introducen las concentraciones medias en el influente de todos los elementos considerados en el modelo biológico, así como, en su caso, las variaciones temporales. Para esta última acción se debe desactivar la opción Sin Curva de Datos y pulsar el botón Datos Curva. La introducción de las variaciones temporales puede realizarse mediante la Hoja de Cálculo Excel, Figura 18. El programa pregunta al usuario si dispone de la Hoja de Cálculo Excel instalada y ante respuestas afirmativas abre la hoja de cálculo con la plantilla que se muestra:

Figura 18. Plantilla en formato de Microsoft Excel para la introducción de las variaciones temporales de caudal y calidad del agua de entrada.

En la primera fila de la plantilla aparece el tiempo, el caudal, la temperatura y el resto de variables del modelo mientras que en la segunda como valores a tiempo cero aparecen los correspondientes a condiciones medias. Cuando se haya incluido una curva de variación temporal se puede ver la interpolación de cada una de las variables en el intervalo introducido mediante el botón Gráficos. Aunque el programa tiene implementado un algoritmo de interpolación por medio de una potente subrutina de cálculo numérico es recomendable que siempre se revise la interpolación que hace el programa para comprobar si representa la tendencia medida. Cuantos más puntos se consideren en la curva, mejor será la aproximación. La Figura 19 muestra la representación de la variación de la variable Sa en un 63

intervalo de tiempo de 2 días. Sobre ésta, el usuario puede realizar las acciones de acercamiento hacia un punto, maximización de pantalla, impresión, exportación de datos, etc.

Figura 19. Representación gráfica de la Interpolación del elemento Sa en el influente.

Pulsando el botón Constantes Estequiométricas DESASS muestra los valores de los factores de conversión para el nitrógeno, fósforo, carbono, Azufre, SST, Calcio, Potasio, Magnesio y Hierro.

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Figura 20. Ventana donde se modifican los factores de conversión.

Estos factores se utilizan en las ecuaciones de continuidad que se aplican en la matriz estequiométrica del BNRM1 ampliado. Por defecto se utilizan los parámetros sugeridos en el modelo, aunque estos valores se pueden cambiar dependiendo de las condiciones particulares que se tengan (factores de conversión). Los factores de conversión únicamente se pueden modificar en las flechas de Entrada de Agua, aunque se pueden visualizar en las ventanas de propiedades de las líneas de unión. Para los casos en los que se desee realizar simulaciones de sistemas de tratamiento biológico desconociendo las características del influente, se ha incluido un agua influente típica que se establece accionando el botón Agua Residual Doméstica. Otra opción es introducir datos analíticos y que el propio programa calcule el resto de variables, para ello se activa la opción Con Datos Analíticos y se pulsa el botón Caracterización, apareciendo de este modo la ventana que se muestra en la Figura 21.

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Figura 21. Ventana donde se introducen los datos de la caracterización.

Para que el programa obtenga el resto de valores a partir de los datos analíticos, es necesario introducir las relaciones entre las distintas variables. Pulsando el botón Relaciones, se abre una nueva ventana (Figura 22) en la cual pueden modificarse estos valores. Por defectos en el programa, aparecen los valores que se muestran en la Figura 22.

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Figura 22. Ventana donde se introducen las relaciones entre variables.

4.5. Condiciones de vertido Accionando el botón izquierdo del ratón sobre las líneas de unión del tipo Salida de Agua aparecerá la ventana de Condiciones de vertido que se muestra en la siguiente figura.

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Figura 23. Ventana de introducción de las condiciones de vertido.

En esta ventana se podrán introducir las restricciones en las concentraciones de los componentes en el efluente. Por defecto se han establecido unos valores de referencia, pero éstos pueden modificarse para cada caso en particular. Los valores establecidos servirán para la comparación una vez el algoritmo general del programa finalice el cálculo, de las concentraciones obtenidas en el efluente con los establecidos en las condiciones de vertido. Si éstos últimos llegaran a ser sobrepasados por las concentraciones en el efluente se mostrará un aviso referente al límite en cuestión. El programa no modificará ningún parámetro de diseño para cumplir con las condiciones de vertido. El programa se limita a mostrar el correspondiente aviso, las modificaciones pertinentes deberá realizarlas el usuario.

4.6. Presentación de resultados DESASS muestra los resultados obtenidos en el cálculo de los distintos elementos de tratamiento de 3 formas diferentes: a través de las pantallas de resultados de los distintos elementos, a través de las representaciones gráficas, o a través de la información contenida en las líneas de unión. A continuación se explican cada una de estas formas de presentación de resultados.

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4.6.1. Pantallas de resultados Una vez finalizado el proceso de cálculo numérico, DESASS dispone para cada una de las operaciones unitarias de una ventana de resultados donde se recopila toda la información concerniente a la calidad del agua tanto en la entrada como en la salida del elemento, así como las características de funcionamiento, de diseño y otras características particulares de cada operación unitaria. Para que DESASS muestre la pantalla de resultados de un elemento se debe accionar el botón derecho del ratón sobre dicho elemento. Si el cálculo se realizó mediante la opción Iniciar paso a paso, el algoritmo general se encarga de mostrarlas automáticamente para cada uno de los elementos.

Figura 24. Pantalla de resultados del elemento Reactor de fangos.

En la figura se observa la pantalla de resultados que muestra el programa para el elemento Reactor de Fangos. En la figura únicamente se observan valores para la estación de invierno porque 69

en el ejemplo en cuestión sólo se calculaba dicha estación. Las pantallas de resultados de los demás elementos son similares a la que se muestra en esta figura correspondiente al reactor de fangos. DESASS sólo muestra estas pantallas cuando el proceso de cálculo ha finalizado. Mediante la opción Listados que se comentó en el apartado de Barra de menú, se pueden exportar los datos contenidos en las pantallas de resultados de los distintos elementos a uno o varios archivos de Microsoft Excel.

4.6.2. Representaciones gráficas El programa ofrece la posibilidad de mostrar la evolución de cualquiera de las variables del modelo durante el proceso de cálculo. En condiciones de Diseño, se pueden representar los datos intermedios obtenidos en el cálculo del valor estacionario en función del número de iteraciones. En condiciones de Simulación, se representa la evolución de las variables en función del tiempo simulado. Las representaciones gráficas se muestran en la opción Gráficos de la barra de menú y se pueden observar durante el proceso de cálculo o una vez finalizado el mismo. Las representaciones gráficas están disponibles para los reactores de fangos, fermentadores, decantadores primarios y secundarios, espesadores, Batch,

digestores aerobios y anaerobios,

depósitos tampón, reactor biomembranas, reactor anaerobio biomembranas, reactor BABE y reactor SHARON. Las representaciones gráficas de los elementos decantadores primarios, decantadores secundarios y espesadores, son diferentes a las anteriores porque permiten representar además de la evolución de las variables en función de las iteraciones o del tiempo simulado, la variación de dichas variables en función de la altura, lo que se denomina Perfil.

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Figura 25. Pantalla de representación gráfica para el reactor de fangos activados.

La Figura 25 muestra la ventana de representaciones gráficas del reactor de fangos activados. Las pantallas correspondientes al resto de elementos son muy similares (menos decantadores y espesadores). En esta pantalla el usuario debe establecer: - Las variables cuya evolución desea ver. - El tanque para el que desea ver la evolución de las variables. - El número de iteraciones, o el intervalo de tiempo entre los puntos de la gráfica.

La siguiente figura muestra la ventana de representaciones gráficas del decantador secundario. Las pantallas correspondientes al decantador primario y al espesador son muy similares. En esta pantalla el usuario debe establecer: - Las variables que desea representar. 71

- Si desea ver la variación de las concentraciones en función de la altura del decantador (Perfil) o su evolución en función de las iteraciones o del tiempo simulado (Evolución). - En la opción Perfil la iteración o el tiempo para el que desea representar el perfil o bien si desea ver la evolución del perfil. - En la opción Evolución también puede seleccionarse la opción de Sólidos en Capas y si existe flujo entre las capas con la opción Flujo en Capas. - El número de iteraciones, o el intervalo de tiempo entre los puntos de la gráfica.

Figura 26. Pantalla de representación gráfica para el decantador secundario.

La Figura 27 muestra la evolución durante el proceso de cálculo de las variables XS y SF en el reactor de fangos activados. Tal y como se observa en la figura las gráficas disponen de las opciones Actualizar (al pulsar el botón incorpora a la gráfica los cálculos realizados hasta ese momento) y Actualizar Autom. (periódicamente el programa incorpora a la gráfica los cálculos realizados).

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Figura 27. Representación gráfica de la evolución durante el proceso de cálculo de las variables XS y SF en el reactor de fangos activados.

4.6.3. Líneas de unión El programa permite visualizar los valores intermedios o finales de las distintas variables en cada una de las líneas de unión entre los distintos elementos. Para ello se debe activar el botón derecho del ratón sobre la línea en cuestión. La figura expuesta, muestra la ventana donde se muestra el valor actual de las variables del modelo en la corriente seleccionada. Pulsando el botón Actualizar Datos se van actualizando los valores intermedios en cada iteración. Pulsando el botón Constantes Estequiométricas se pueden visualizar los valores de los factores de conversión que serán utilizados en el cálculo del elemento donde llega la línea de unión. El botón Exportar datos corriente permite obtener un archivo Excel con los valores de la línea de unión en la cual se ha pulsado el botón derecho del ratón. El botón Exportar todas las corrientes crea una carpeta en cuyo contenido se hallan los correspondientes archivos Excel de cada una de las líneas de unión de todo el sistema. Para conocer a que línea de unión corresponde cada 73

una, debe abrirse el archivo, en el cual se indica desde donde sale y hasta donde llega la línea de unión.

Figura 28. Ventana que muestra los datos intermedios en las líneas de unión.

4.7. Validación de elementos Cuando el usuario pulsa el botón Iniciar o Iniciar paso a paso, antes de comenzar los cálculos de diseño o simulación DESASS realiza una validación de la configuración de planta diseñada por el usuario. Si detecta algún error sacará en pantalla una lista con los errores que el usuario debe subsanar antes de comenzar los cálculos. A continuación, se muestra un ejemplo de dicha lista de 74

errores. Algunos de los errores más comúnmente cometidos se enumeran a continuación explicando el por qué del error y qué debe hacer el usuario para corregirlo.

• El elemento reactor de fangos no debe tener una entrada de aire: Este mensaje aparece cuando un reactor aireado mediante turbinas o venturi está conectado a una soplante mediante una línea de aire. Para evitar este error hay que eliminar la línea de aire. • El elemento reactor de fangos debe tener una entrada de aire: Este mensaje aparece cuando un reactor aireado mediante difusores no ha sido conectado a una soplante. Para evitar este error basta conectar el reactor a una soplante. • Revise la entrada al Decantador primario/Reactor de fangos: Este mensaje aparece cuando la entrada de agua no tiene caudal. La línea de entrada de agua no tiene valores por defecto, por tanto el usuario deberá introducir en la ventana de propiedades de la flecha de Entrada de Agua un valor para el caudal. • El elemento Añadir Reactivos no debe tener ninguna entrada: Este mensaje aparece cuando se conecta una entrada de agua al elemento añadir reactivos. El caudal que le llega al reactor no se fija en una entrada de agua, sino en la ventana del elemento Añadir Reactivos. •

El elemento Decantador Primario/Secundario debe tener una única salida de

fango/agua: Este mensaje aparece cuando al usuario se le ha olvidado colocar la purga o el efluente en un decantador primario o secundario. El error se corrige añadiendo una salida de fango o agua al decantador en cuestión.

Figura 29. Ejemplo de los errores detectados en la validación.

4.8. Resolución por bucles Una de las posibilidades que ofrece el programa encaminadas a mejorar la velocidad de cálculo 75

y a facilitar la rápida convergencia del sistema consiste en la resolución del esquema de tratamiento elegido por grupos de elementos. Cada vez que el usuario comienza la resolución en estado estacionario de un esquema de tratamiento, el programa detecta automáticamente los grupos de elementos que pueden resolverse de forma independiente y antes de comenzar su resolución ofrece al usuario la posibilidad de resolverlos uno tras otro por separado. A modo de ejemplo en el esquema que se muestra en la figura el programa detecta 5 grupos: el primero formado por el decantador primario, los dos primeros nudos y el fermentador, el segundo formado por los dos reactores de fangos activados y el decantador secundario, el tercero formado por el tercer nudo, el cuarto formado por el digestor aerobio y el quinto formado por el espesador. Si el sobrenadante del espesador se recircula a cabeza de planta el esquema de resolución variaría. En ese caso habría un único grupo de elementos. Resolviendo por grupos de elementos, el programa detecta primero los bucles que puedan existir en el esquema a resolver y divide el esquema en grupos independientes. Posteriormente establece el orden en que ha de resolver dichos grupos y también el orden en que ha de resolver los elementos dentro de cada grupo. En el caso de que no exista ningún bucle, también da la posibilidad de resolver los elementos uno tras otro independientemente.

Esto da una mayor agilidad a la hora de resolver un diseño complejo, ya que se puede ir resolviendo elemento a elemento para observar los resultados y poder modificar el diseño sin tener que esperar a que haya convergido el esquema global.

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Figura 30. Ejemplo de esquema de tratamiento que puede resolverse por bucles.

Antes de empezar a resolver un esquema de tratamiento como el que se muestra en la figura anterior, DESASS muestra una ventana como la que se muestra a continuación.

Figura 31. Ventana para elegir si se desea la resolución del esquema de tratamiento por bucles.

Si el usuario elige la resolución por grupos, el programa no comenzaría a resolver los reactores de fangos y el decantador secundario hasta que no hubiera convergido el decantador primario y el fermentador, mientras que el espesador sólo se resolvería cuando hubieran convergido los demás elementos. Otra ventaja que tiene resolver el esquema de tratamiento por grupos es que en las primeras iteraciones la salida de los primeros elementos, que es la entrada de los siguientes, está muy 77

lejos de la solución final. Resolver los últimos elementos con esa entrada no sirve de mucho puesto que está muy alejada de la definitiva. Al resolver el esquema de tratamiento por grupos, cuando empiecen a resolverse los elementos del segundo grupo la entrada a ese grupo será constante y se habrá ahorrado numerosas iteraciones que estarían muy lejos de la solución final. Para que el usuario pueda saber en todo momento qué estructura poseen los bucles detectados por el programa, qué elementos se están resolviendo y qué elementos ya están resueltos, se ha habilitado una opción dentro del menú Utilidades de la ventana principal del programa, se trata de la opción Ver, esta opción ya se ha explicado con anterioridad en el apartado barra de menú. En función de la opción que elija el usuario aparecerá una ventana mostrando los elementos correspondientes en el orden en que se están resolviendo.

4.9. Cálculo de los distintos elementos de tratamiento En este apartado se explica con detalle el funcionamiento de los distintos elementos que puede calcular DESASS: Decantador primario, Reactor de fangos, Decantador Secundario, Fermentador, Nudo, Espesador de Fangos, Digestor Anaerobio, Depósito Tampón, Digestor Aerobio, Deshidratación Mecánica, Añadir Reactivos, Soplante, Reactor BATCH, BioReactor de Membranas, Reactor Anaerobio de membranas, Reactor BABE y Reactor SHARON.

4.9.1. Decantador primario Por medio de la decantación primaria se elimina gran parte de los sólidos suspendidos del influente. Asociado a esta eliminación de sólidos suspendidos se produce la eliminación de la materia orgánica suspendida, con lo que se disminuye tanto los sólidos suspendidos (SS) como la DBO5 y la DQO en el efluente del decantador primario. En los decantadores primarios, se produce principalmente una decantación floculada, en la que las partículas de una suspensión diluida se van agregando, modificándose con ello la velocidad de sedimentación. Los criterios de diseño utilizados en el cálculo de los decantadores primarios son la

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carga superficial y el tiempo de retención hidráulico. La siguiente figura mostrada es la ventana de propiedades de este elemento.

Figura 32. Ventana de propiedades del decantador primario.

En esta ventana aparecen los criterios de diseño del decantador primario, la carga superficial, el tiempo de retención hidráulico y la carga sobre vertedero. Los valores que aparecen con el fondo gris oscuro son los valores habitualmente utilizados en el diseño de estaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas. En el diseño del decantador primario DESASS calcula el área del decantador a partir de los criterios de carga superficial establecidos (caudal medio y punta). A partir del área calculada y con el valor del calado fijado por el usuario en la ventana Geometría DESASS calcula el volumen del decantador y comprueba que se cumplen los criterios de tiempo de retención y carga sobre vertedero. El cálculo de los caudales y concentraciones de las corrientes de efluente y purga depende de la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad. Si la opción no está marcada el usuario establece la concentración de sólidos en el fondo del decantador y el programa resuelve el decantador mediante un balance de caudales y un balance de sólidos, asumiendo que el porcentaje de sólidos suspendidos eliminado depende del tiempo de retención hidráulico según la siguiente tabla.

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TRH a caudal medio (horas) 1 2 2.5 ≥ 3 43 55 60 65 % de eliminación de SS Tabla 12. Eliminación de SS en la decantación primaria para aguas residuales urbanas. Carga superficial a caudal medio 1.3 m3/m2/h.

Asimismo, el programa asume el mismo porcentaje de eliminación para el resto de las fracciones suspendidas representadas por los otros componentes del modelo. Estos valores pueden cambiarse dentro de la ventana Eliminación, desactivando previamente la opción Agua Residual Doméstica. Para que aparezca la opción de Agua Residual Doméstica, es necesario desconectar la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad. Si la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad está activada DESASS el programa utiliza el modelo de sedimentación previamente comentado debiendo establecer el usuario el porcentaje del caudal de entrada que se extrae por el fondo del decantador (Purga). Los parámetros de sedimentación así como el número de capas en las que se divide el decantador y la capa por la que se produce la entrada del agua se establecen desde la ventana Parámetros.

Figura 33. Ventana de propiedades del decantador primario.

Si el usuario selecciona la opción Procesos Biológicos DESASS asume cada una de las capas

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del decantador como un reactor continuo de tanque agitado y aplica el modelo biológico previamente comentado. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. Si la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad está activada, aparece en la pantalla de propiedades, la opción Con Elutriación del Fango. Seleccionando esta opción el programa recircula parte del fango extraído a la entrada del decantador con el objetivo de elutriar los ácidos grasos volátiles formados por la fermentación del fango primario en el fondo del decantador. El sistema modifica el diagrama de flujo incluyendo un Nudo, tal y como se observa en la siguiente figura.

Figura 34. Modificación del diagrama de flujo al seleccionar la opción con elutriación del fango.

En la opción Simulación el decantador primario ya está diseñado por lo que el usuario debe establecer el caudal de purga (y el caudal de elutriación si fuera el caso). El programa permite establecer un caudal variable para la purga de fangos. Para ello se debe desactivar la opción Sin curva de Datos (esta opción sólo está visible en el cálculo de Simulación) e introducir la variación deseada en función del tiempo de forma similar a como se comentó en el apartado correspondiente al agua influente. 4.9.1.1. Optimización del diseño de esquemas para la producción de ácidos volátiles Para conseguir una eliminación biológica de fósforo es necesaria una determinada concentración de ácidos volátiles en el agua influente. Cuando estos ácidos no estén presentes en el agua de entrada en cantidad suficiente será necesaria su adición externa. Sin embargo, numerosos 81

estudios indican que los ácidos se pueden generar por fermentación del fango primario. Dado que una concentración baja de ácidos volátiles impediría el desarrollo de las bacterias PAOs, y que una concentración demasiado alta supondría un consumo energético extra para su eliminación por vía aerobia, se ha implementado en DESASS la posibilidad de diseñar esquemas de fermentación y elutriación del fango primario fijando la concentración de ácidos deseada a la entrada del tratamiento biológico. En la pantalla de diseño del decantador primario (ver Figura 35) aparece una ventana con el título Optimización desde donde se puede seleccionar la opción Diseño con optimización de ácidos. Esta opción solo estará disponible para los esquemas de fermentación y elutriación siguientes: decantador primario con elutriación y decantador primario + fermentador. Al seleccionar dicha opción el usuario debe fijar la concentración de ácidos a la salida del decantador y la altura del manto de fangos.

Figura 35. Ventana de optimización de la producción de ácidos volátiles

El programa ajusta los caudales de purga y de recirculación de fango hasta conseguir la producción deseada de ácidos volátiles y la altura del manto de fangos. Partiendo de un valor de la recirculación prefijado inicialmente (1% del caudal de entrada), DESASS ajusta el caudal de purga necesario para mantener los sólidos en la altura de consigna. Una vez estabilizado el sistema en el 82

proceso de cálculo, si la producción de ácidos no se corresponde con la producción deseada, DESASS modifica el caudal de recirculación en la dirección que corresponda y ajusta de nuevo la purga para mantener el nivel de sólidos. El programa continúa con este proceso iterativo hasta conseguir la producción deseada de ácidos volátiles. Cuando la producción de ácidos volátiles es inferior a la fijada por el usuario, el caudal de recirculación aumenta hasta llegar al valor deseado. Sin embargo, el decantador primario tiene un límite máximo de caudal de recirculación para evitar que el caudal en la entrada del decantador sea demasiado elevado y provoque turbulencias indeseadas. DESASS determinará el máximo caudal de recirculación permisible, según el criterio de diseño siguiente: la velocidad de salida del agua de la zona que limita el deflector superficial de entrada no puede superar los 0.08 m/s para condiciones de caudal punta ni 0.05 m/s para condiciones de caudal medio. Por tanto, el caudal máximo de recirculación para un decantador circular se calculará de acuerdo con la siguiente ecuación.   π ⋅ d2 π ⋅ d2 − Q E,Pta , 0.05 ⋅ − Q E,Med  Q R,Max = min 0.08 ⋅ 4 4  

donde d es el diámetro del cilindro de entrada, que se toma como un 10% del diámetro del decantador y QE es el caudal de entrada al decantador.

4.9.1.2. Control de la altura de fangos Al marcar la opción Simulación en un decantador primario, si éste forma parte de un esquema de fermentación-elutriación del fango primario, se activará la opción Simulación con control de altura de sólidos (ver Figura 36). Si el usuario marca esta opción deberá fijar la altura de sólidos deseada y el pH de referencia. Los valores que aparecen por defecto serán los calculados durante el diseño del sistema. Además, deberá fijar también los caudales máximos de recirculación y purga y el tiempo de respuesta de la bomba, que será el intervalo entre dos acciones de control. Los valores que aparecen por defecto son: 5 minutos para el tiempo de respuesta de la bomba, 4 veces el valor de diseño para el caudal máximo de purga y 2 veces el valor de diseño para el caudal máximo de recirculación, siempre que éste último no sobrepase en más de un 10% en el valor máximo permitido en el diseño.

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Figura 36. Ventana de control de la altura de sólidos.

Pulsando el botón Curvas de Control de la Altura de Sólidos, el usuario puede modificar las curvas de fuzzificación y desfuzzificación de las variables de entrada y salida del controlador. Las curvas de fuzzificación se utilizan para asignar un peso a cada “etiqueta lingüística” en función del valor de la variable de entrada correspondiente. Las curvas de desfuzzificación marcan la magnitud de las respuestas del controlador. Cuanto más juntas estén estas curvas, más lentamente reaccionará el sistema de control. En cualquier caso, el usuario puede activar la opción Valores estándar para las curvas de control para asignar valores que han funcionado bien con diversos esquemas. Los valores estándar de las curvas de desfuzzificación para el incremento de la purga son distintos en caso de que exista o no un fermentador en el esquema a controlar. Cuando existe un fermentador las curvas estarán más separadas debido a que este elemento ralentiza el efecto de la acción de control.

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4.9.2. Decantador secundario El objetivo principal de la decantación secundaria es la separación de los sólidos suspendidos del licor mezcla con el fin de obtener un efluente con un bajo contenido en sólidos suspendidos. En los decantadores secundarios, tiene lugar una sedimentación de tipo retardada o zonal en la cual las partículas sedimentan en bloque. Esto es debido a la relativamente elevada concentración de sólidos existente que provoca que las partículas interaccionen entre sí tendiendo a estar en posiciones relativas fijas. Los criterios de diseño utilizados en el cálculo de los decantadores secundarios son la carga de sólidos, la carga hidráulica, el tiempo de retención y la carga sobre vertedero. La Figura 37 muestra la ventana de propiedades del elemento Decantador Secundario.

Figura 37. Ventana de propiedades del elemento Decantador Secundario.

En esta ventana aparecen los criterios de diseño del decantador secundario, la carga de sólidos, la carga hidráulica, el tiempo de retención hidráulico y la carga sobre vertedero. Los valores que aparecen con el fondo gris oscuro son los valores habitualmente utilizados en el diseño de estaciones 85

de tratamiento de aguas residuales urbanas. En el diseño del decantador secundario DESASS calcula el área del decantador a partir de los criterios de carga de sólidos y carga superficial establecidos (caudal medio y punta). A partir del área calculada y con el valor del calado fijado por el usuario en la ventana Geometría, DESASS calcula el volumen del decantador y comprueba que se cumplen los criterios de tiempo de retención y carga sobre vertedero. El cálculo de los caudales y concentraciones de las corrientes de efluente y purga depende de la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad. Si la opción no está marcada el usuario establece la concentración de sólidos en el fondo del decantador así como la concentración de sólidos en el efluente y el programa resuelve el decantador mediante un balance de caudales y un balance de sólidos. El programa asume que se mantiene en ambas corrientes la distribución entre las especies suspendidas existente en el fango influente. De forma análoga al decantador primario si la opción Cálculo con parámetros de Sedimentabilidad está activada, DESASS calcula las concentraciones de las diversas especies suspendidas en las corrientes utilizando el modelo de sedimentación previamente comentado debiendo establecer el usuario el porcentaje del caudal de entrada que se extrae por el fondo del decantador (Recirculación + Purga). Los parámetros de sedimentación así como el número de capas en las que se divide el decantador y la capa por la que se produce la entrada del agua se establecen desde la ventana Parámetros (muy similar a la del decantador primario). Si el usuario selecciona la opción Procesos Biológicos DESASS asume cada una de las capas del decantador como un reactor continuo de tanque agitado y aplica el modelo biológico previamente comentado. En la opción Simulación el decantador secundario ya está diseñado por lo que el usuario debe establecer los caudales de purga y recirculación. Al igual que en el decantador primario, DESASS permite establecer un caudal variable para la recirculación y purga de fangos. Para ello se debe desactivar la opción Sin curva de Datos (esta opción sólo está disponible en el cálculo de Simulación) e introducir la variación deseada en función del tiempo de forma similar a como se comentó en el apartado correspondiente al agua influente, es decir, a partir del archivo Excel que abre el programa. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades.

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4.9.3. Reactor de fangos activados El objetivo principal de los procesos de fangos activados es la eliminación de la materia orgánica del agua residual. Adicionalmente estos sistemas se utilizan para la eliminación por vía biológica de los nutrientes (nitrógeno y fósforo) presentes en el agua residual. Para facilitar el manejo operativo del reactor de fangos, se ha introducido el concepto de Grupo de reactores. Un Grupo de reactores es un conjunto de reactores de fangos activados conectados en serie y asociados a un decantador secundario en particular. Una vez configurado el sistema de fangos activados en la ventana de trabajo, el algoritmo general del programa identifica el número de Grupos de reactores que se forman. Este concepto agiliza la introducción de los criterios de diseño para un grupo de reactores y facilita la aplicación de las ecuaciones del modelo biológico. La figura muestra la ventana de propiedades del elemento Reactor de fangos activados.

Figura 38. Ventana de propiedades del elemento Reactor de Fangos Activados.

Tal y como se observa en la Figura 38 la ventana está subdividida en: General, Geometría, Aireación; Maq. Auxiliar y Control. En condiciones estacionarias (caso Diseño) el cálculo del reactor se puede realizar tanto por el criterio de carga másica como por el de tiempo de retención 87

celular. Para trabajar con uno u otro criterio se deberá utilizar la opción Criterio de diseño por tiempo de retención celular en la subventana General. Si se escoge el criterio de carga másica (opción desactivada) se deben fijar para ambas estaciones (invierno y verano) los valores de la carga másica deseados y las concentraciones de sólidos suspendidos en el reactor, así como la relación DBO5/ DBOlim. Con estos parámetros se calcula el volumen para un reactor o Grupo de reactores en ambas estaciones. Los valores obtenidos para el volumen en ambas estaciones pueden ser diferentes. En ese caso DESASS selecciona el mayor valor obtenido y para la otra estación recalcula la concentración de sólidos suspendidos que permite mantener el valor de la carga másica. A partir de los datos calculados y de los otros criterios de diseño (relación de volumen, relaciones de recirculación interna, concentraciones de oxígeno disuelto, etc.) mediante el uso del modelo biológico se obtienen el resto de condiciones de operación (tiempo de retención celular, etc.) y las concentraciones en el reactor de los distintos componentes del modelo. Un reactor de fangos puede trabajar en diferentes condiciones de carga másica: alta carga, convencional, nitrificación y oxidación total. En la subventana General, se sugiere un intervalo típico de trabajo según sean las condiciones de operación, tanto para la carga másica como para los sólidos suspendidos totales. Si se utiliza el criterio de diseño por tiempo de retención celular (opción Criterio de diseño por tiempo de retención celular activada), se debe fijar el volumen del reactor de fangos y el tiempo de retención celular deseado para ambas estaciones. Tanto el volumen como el tiempo de retención celular hacen referencia al Grupo de Reactores, es decir el volumen representa la suma de los volúmenes de todos los reactores que forman el grupo. Cuando un grupo de reactores esté formado por más de 1 reactor, se debe establecer la fracción del volumen correspondiente a cada uno de los reactores. Esto se lleva a cabo en la pantalla Geometría (Relación Vreactor/Vtotal) tal y como se muestra en la figura siguiente. El valor se expresa en tanto por 1, por lo que un valor 0.5 representa que el volumen del reactor en cuestión representa el 50% del volumen total.

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Figura 39. Pantalla Geometría en la ventana de propiedades del elemento reactor de fangos activados.

Una vez fijados estos parámetros y utilizando los otros criterios de diseño mediante la aplicación del modelo biológico se obtienen el resto de condiciones de operación y la calidad del agua en el reactor de fangos. Cuando la opción Criterio de diseño por tiempo de retención celular está activada se puede realizar el diseño con forma prefijada seleccionando la opción Diseño con forma prefijada. En ese caso se deberán introducir todas las características geométricas para cada reactor de fangos de la planta en la subventana Geometría. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. Un reactor de fangos puede ser de tipo óxico, anóxico o anaerobio, dependiendo de los aceptores de electrones que se encuentren en el reactor. Para definir esta característica se debe 89

escoger una u otra opción en el listado Tipo de Tanque de la subventana General. Cuando se fija el tipo de tanque, se habilitan o deshabilitan otros criterios. Todas las opciones relacionadas con la aireación sólo estarán disponible en el caso óxico. Por otra parte, la maquinaria de agitación estará disponible únicamente en los casos anóxico y anaerobio. Para los reactores de tipo óxico, se deben introducir en el cuadro O.D. en la subventana General las concentraciones de oxígeno que se desean mantener en condiciones medias y punta. DESASS impondrá esa concentración de oxígeno en la resolución de las ecuaciones del modelo biológico. Sin embargo, el funcionamiento de un reactor en condiciones anóxicas o anaerobias dependerá de la concentración de nitratos calculada por las ecuaciones del modelo y no del tipo de tanque seleccionado por el usuario. Si existe una línea de recirculación de agua entre dos reactores de fangos activados, se deberá especificar su caudal introduciendo ya sea la relación caudal de recirculación a caudal influente (en caso de diseño) o fijando el caudal a un valor especifico (en caso de simulación), en la subventana General (Rec. Sale). El cuadro Rec. Entra muestra el caudal de recirculación, pero solamente a título informativo, no se puede modificar el valor. El caudal de al corriente de recirculación se cambia desde la pantalla del reactor del cual sale dicha corriente. Dentro de la subventana General la opción Utilizar Solución anterior permite al usuario tanto en Diseño como en Simulación comenzar el cálculo a partir de los valores obtenidos en la última solución. Esta opción es muy útil en Simulación donde se suele partir de la solución estacionaria y en diseño para reducir tiempo de cálculo cuando se desean hacer ligeras modificaciones sobre el esquema de tratamiento ya resuelto. Por otra parte desactivando la opción Sin Condición Inicial de la ventana General se pueden fijar las concentraciones de los componentes a partir de las cuales se desea que comience el cálculo. El botón Cinética permite al usuario visualizar y realizar cambios en los valores de los parámetros estequiométricos y cinéticos utilizados en el modelo biológico. Los valores que aparecen por defecto al crear un elemento son los que se comentaron en la descripción del modelo como valores típicos para el tratamiento de aguas residuales urbanas. Tal y como se observa en la figura que se muestra a continuación los parámetros se presentan agrupados por bacterias.

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Figura 40. Ventana de visualización y cambios en los parámetros estequiométricos y cinéticos del modelo biológico.

Los valores de los parámetros cinéticos y estequiométricos que se introducen en esta pantalla son los correspondientes a una temperatura de 20ºC. Dado que la mayoría de dichos parámetros no cambia con la temperatura, sólo se hace una corrección por temperatura a aquellos parámetros que dependen considerablemente de ésta. La ecuación de corrección se expresa de la siguiente manera: Valor(T) = Valor(20ºC)·KT(T-20) En la parte inferior de la subventana correspondiente a cada grupo de parámetros aparecen las constantes de temperatura utilizadas para los distintos parámetros que dependen de este parámetro. El programa ofrece la posibilidad de asignar los valores introducidos a todos los elementos del esquema 91

de tratamiento mediante la opción Asignar a todos los elementos. En la subventana de Aireación; Maq. Auxiliar (figura siguiente) el programa muestra todas las opciones relacionadas con la aireación de los reactores de fangos activados. Estas opciones sólo estarán disponibles en reactores de tipo óxico. Seleccionando la opción Calcular la aireación, DESASS, una vez finalizado el cálculo de los distintos elementos de tratamientos, calcula el sistema de aireación necesario para el suministro de las necesidades de oxígeno. El sistema de aireación se puede diseñar mediante difusores, Turbinas y Venturi radial, seleccionados en la opción Equipo de Aireación. El diseño del sistema de aireación sólo se podrá realizar en estado estacionario. Pulsando el botón Aireación se establecen las características del sistema de aireación a calcular (altura del lugar, marca de los equipos…)

Figura 41. Pantalla de Aireación y Maquinaria Auxiliar en el reactor de fangos activados.

Por lo que respecta a los valores de los coeficientes de transferencia de materia entre la fase 92

líquida y gaseosa (KLa) para los distintos gases, conocido el valor de uno de ellos se pueden calcular el resto mediante la ecuación propuesta por Merkel y Krauth (1999): KL a i KL a j

=

Di

Siendo Di: Difusividad del gas i (cm2/s)

Dj

En los reactores aerobios el modelo biológico permite calcular las necesidades de oxígeno para mantener la concentración deseada. Conocidas estas necesidades se puede calcular el KLa del oxígeno mediante la siguiente ecuación: MO2 = KLa · V · (C*O2 - Co2) Siendo CO2*: la concentración de saturación de oxígeno. CO2: la concentración de oxígeno en el tanque.

Por ello, en los reactores aerobios DESASS muestra los valores calculados para los coeficientes de transferencia de materia de los distintos gases. En los reactores anóxicos y anaerobios el usuario introduce el valor del KLa del CO2 a partir del cual se calcula el resto. En estos reactores el coeficiente de transferencia es bastante más pequeño que en los reactores aerobios porque se pretende minimizar la entrada de oxígeno en el tanque. En la misma subventana se encuentra también la opción de cálculo de las bombas de recirculación interna. Para los reactores aerobios que tienen una línea de recirculación que sale se pueden calcular las bombas necesarias para recircular el caudal deseado mediante la opción Desea calcular las bombas de recirculación interna. Este cálculo sólo puede hacerse en estado estacionario y es la base del futuro sistema de control de la recirculación interna. Para el cálculo, el programa comprueba de entre todos los modelos de la marca elegida cuáles pueden dar un caudal y una altura superiores a los deseados y elige el modelo que proporciona un caudal y una altura más próximos a los elegidos pero superiores a éstos. Pulsando el botón Bombas de recirculación el usuario elige la marca de las bombas, el número de unidades operativas y de reserva, el material de la tubería y su coeficiente de rugosidad. En la ventana de Control se encuentran las opciones necesarias para activar el control del oxígeno que será explicado en un apartado posterior. La opción Incluir reactor BABE, incluye en el sistema un reactor de fangos activados tipo 93

BABE. La opción Purgar desde el reactor, permite simular la extracción de fango que se llevaría a cabo en una planta piloto a escala de laboratorio. La opción Fijar temperatura, permite al usuario introducir un valor constante de la temperatura a la cual se llevará a cabo el proceso biológico. Para poder optimizar el esquema, hay que realizar el diseño del reactor de fangos usando el criterio de tiempo de retención celular. Al activar la casilla Optimizar fangos activados (ver Figura 42) el programa automáticamente cambia de criterio de diseño, en caso de tener el criterio de carga másica. La selección de esta opción permite al usuario elegir la altura del manto de fangos en el decantador secundario. La optimización del reactor de fangos permite variar de forma automática los siguientes aspectos en función de las condiciones de vertido que se han establecido: - Volúmenes relativos de los reactores de fangos. - Volumen total de los reactores de fangos. - Relación de extracción de fangos en el decantador secundario. - Relación de recirculación interna del reactor aerobio al anóxico. - Recirculación en el decantador primario.

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Figura 42. Pantalla de diseño del reactor de fangos activados.

4.9.4. Fermentador El fermentador consiste en un reactor continuo de tanque agitado que presenta una única entrada, ya sea de agua o de fango, y una única salida. Los fermentadores normalmente están en condiciones anaerobias ya que el único aporte de oxígeno que tienen es el que se produce por reaireación superficial. Por lo tanto, en este elemento suelen desarrollarse las bacterias acidogénicas que forman ácidos volátiles necesarios para la eliminación biológica de fósforo. Los fermentadores suelen trabajar con tiempos de retención suficientemente bajos para que no se desarrollen las bacterias metanogénicas que consumirían los ácidos volátiles formados.

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Figura 43. Ventana de propiedades del elemento fermentador.

En la ventana correspondiente a este elemento se introducen los parámetros de diseño. El fermentador se puede diseñar fijando el volumen para que DESASS calcule el tiempo de retención, o bien fijando el tiempo de retención para que DESASS calcule el volumen. Además se deben introducir los coeficientes de transferencia de materia (KLa) de los distintos gases. Se pueden introducir los coeficientes de transferencia de todos los gases o sólo el del CO2 para que el resto sean calculados por la expresión propuesta por Merkel y Krauth y comentada en el apartado del reactor de fangos. Estas posibilidades las elige el usuario mediante la opción KLa introducidos por el usuario. La expresión antes comentada es válida para el hidrógeno y el metano porque dichos gases al igual que el CO2 también se desabsorben, pero no tiene por qué serlo para el oxígeno y el nitrógeno dado que estos gases pasan del aire al agua. El coeficiente de transferencia de materia para estos gases deberá ser mucho menor que para los otros. Al seleccionar la opción KLa introducidos por el usuario los valores del coeficiente de transferencia para el hidrógeno y el metano se calculan por la expresión que proponen Merkel y Krauth mientras que para el oxígeno y el nitrógeno se utilizan los valores obtenidos mediante esa expresión divididos por mil. El valor del coeficiente de transferencia del oxígeno es muy importante en este elemento porque las bacterias acidogénicas ven inhibida su

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actividad en presencia de oxígeno. Como se puede observar en la figura anterior el programa calcula la maquinaria de agitación que se selecciona pulsando el correspondiente botón. Pulsando el botón Cinética aparece otra ventana donde se pueden modificar las constantes cinéticas de los distintos tipos de bacterias. La ventana es la misma que se comentó al hablar del reactor de fangos. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. La inclusión de este elemento permite la simulación de esquemas de tratamiento como el que se muestra en la figura siguiente en el que en el fondo del decantador primario y sobre todo en el fermentador se generan los ácidos volátiles necesarios para llevar a cabo la eliminación biológica de fósforo. En el esquema de la figura la elutriación de los ácidos generados tiene lugar en el propio decantador primario.

Figura 44. Esquema de tratamiento en el que parte de los fangos que se extraen del decantador primario se llevan al fermentador.

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4.9.5. Espesador El objetivo principal de los espesadores es el espesado de los fangos primarios y/o biológicos con el fin de aumentar la concentración de sólidos suspendidos en la corriente de entrada a los procesos de digestión y/o deshidratación. En los espesadores, tiene lugar una sedimentación de tipo retardada o zonal en la cual las partículas sedimentan en bloque. Esto es debido a la elevada concentración de sólidos existente que provoca que las partículas interaccionen entre sí tendiendo a estar en posiciones relativas fijas. Los criterios de diseño utilizados en el cálculo de los espesadores son la carga de sólidos, la carga superficial y el tiempo de retención. La Figura 45 muestra la ventana de propiedades del elemento espesador.

Figura 45. Ventana de propiedades del elemento espesador.

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A diferencia de los decantadores primario y secundario, en el diseño del espesador no se tiene en cuenta el caudal punta. El caudal punta afecta a la línea de agua, asumiendo el programa que las purgas del decantador primario y secundario permanecen constantes en condiciones punta. DESASS recomienda una serie de valores para los criterios de diseño en función de la procedencia del fango que se vaya a espesar, primario, biológico o una mezcla de ambos. El cálculo es similar a los decantadores; a partir de los criterios de carga hidráulica y carga de sólidos DESASS calcula el área, y con el valor del área calculado y el calado (fijado en la pantalla Geometría) DESASS calcula el volumen y comprueba el criterio del tiempo de retención. El espesador se calcula siempre utilizando el modelo de sedimentación descrito en este informe, estableciendo el usuario los valores de los parámetros, el número de capas y en cual de ellas se produce la alimentación. En la subventana Parámetros existe la opción Utilizar los Parámetros del fango de entrada que si se selecciona, el espesador se diseña con los parámetros de sedimentabilidad correspondientes al fango que le llegue (fango del decantador primario, fango del decantador secundario o la media ponderada de ambos según la cantidad de sólidos que provenga de cada tipo de decantador). Sin embargo, debido a la forma de calcular el espesador, suponiendo una extracción continua de fango, se ha tenido que asignar un IVF al fango mucho más bajo de lo esperado para poder obtener las concentraciones típicas de salida del fango espesado. Por defecto, el IVF tendrá un valor de 40 ml/g. Al igual que en los decantadores primarios y secundarios seleccionando la opción Procesos Biológicos el programa aplica las ecuaciones del modelo biológico a cada una de las capas a las que considera como un reactor continuo de tanque agitado. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades.

4.9.6. Digestor aerobio La digestión de los fangos procedentes de los decantadores primario y secundario tiene como objetivos básicos la producción de un producto estable que pueda ser llevado a vertedero o utilizado como fertilizante y la reducción de la masa y el volumen que debe verterse. En la digestión aerobia los dos objetivos anteriores los llevan a cabo microorganismos aerobios y facultativos que obtiene la energía para su crecimiento de la degradación de la materia orgánica biodegradable y del protoplasma celular (se encuentran en fase endógena). En este proceso también se produce la 99

liberación del nitrógeno orgánico que en gran parte es hidrolizado a amonio y oxidado a nitrato. El elemento digestor aerobio permite simular la digestión aerobia de fangos procedentes de un decantador primario, de un decantador secundario, o bien, fangos mixtos. El diseño de este elemento es análogo al de un fermentador con una única entrada y una única salida con la diferencia de que se trata de un elemento aerobio y el programa calcula los resultados con la concentración de oxígeno fijada por el usuario. Además el programa calcula las necesidades de aireación y el número y tipo de aireadores necesarios para suministrar esas necesidades de oxígeno. La figura muestra la ventana de diseño del elemento digestor aerobio. Tal y como se observa en la figura, el diseño del digestor aerobio se puede hacer fijando el tiempo de retención hidráulico y calculando el volumen, o bien, fijando el volumen y calculando el tiempo de retención hidráulico. Marcando la opción Diseño con volumen prefijado el usuario fija el volumen y si no la marca, el tiempo de retención hidráulico. En esta ventana el usuario establece el oxígeno disuelto a caudal medio (se asume que no hay caudal punta en la línea de fangos). En la ventana Geometría se muestran las dimensiones del tanque mientras que las ventanas Aireación; Maq. Auxiliar y Control son muy similares a las del reactor de fangos activados. El sistema de control implementado en DESASS permite mantener la concentración de oxígeno disuelto en reactores de fangos activados y digestores aerobios. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades.

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Figura 46. Ventana de propiedades del elemento digestor aerobio.

4.9.7. Digestor anaerobio En el proceso de digestión anaerobia la materia orgánica biodegradable de los fangos primarios junto con gran parte de la biomasa de los fangos secundarios son transformadas en metano y dióxido de carbono mediante la acción sucesiva de varios grupos de bacterias. Las bacterias acidogénicas hidrolizan la materia orgánica suspendida en soluble y realizan el proceso de fermentación generando ácidos volátiles. Las bacterias acetogénicas transforman los ácidos volátiles en ácido acético e hidrógeno. Las bacterias metanogénicas transforman el ácido acético y el hidrógeno en metano. Las bacterias sulfatoreductoras transforman el sulfato en sulfuro consumiendo para ello ácidos grasos volátiles e hidrógeno. Los digestores anaerobios son tanques de mezcla completa y no presentan recirculación. El criterio más habitual en el diseño de estos elementos es el tiempo de retención celular. La figura muestra la ventana de propiedades de este elemento. En el diseño el usuario establece el tiempo de retención celular o bien fija el volumen del tanque mediante la opción Diseño con forma prefijada. Otros parámetros de diseño también se deben establecer son: el porcentaje del volumen que representa la zona ocupada por el gas, la temperatura a la que se encuentra el fango en el interior del 101

digestor y la presión a la que se encuentra la zona que ocupa el gas producido durante la digestión. Asimismo el usuario tiene la opción KLa introducidos por el usuario mediante la que elige si introduce los coeficientes de transferencia de materia de todos los gases o únicamente el correspondiente al CO2. Esta opción es análoga a la que aparece en la ventana del fermentador. Pulsando el botón Cinética el usuario puede ver y modificar los parámetros cinéticos correspondientes a los distintos tipos de bacterias. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. Este elemento se caracteriza por presentar una entrada de fango y dos salidas: una salida de fango y una salida de gas. En la flecha de salida de gas el programa muestra el caudal de gas y el porcentaje de cada uno de los gases en la corriente.

Figura 47. Ventana de propiedades del elemento digestor anaerobio.

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4.9.8. Depósito tampón La principal función del depósito tampón (también llamado digestor secundario) es almacenar el fango digerido antes de llevarlo al tratamiento de deshidratación. En DESASS el depósito tampón se ha representado como un reactor continuo de tanque agitado que presenta una entrada de fango (normalmente procedente de una digestión anaerobia) y dos salidas (una de gas y una de fango). En este elemento continúa produciéndose el proceso de digestión, por eso presenta también una salida de gas. El funcionamiento del depósito tampón es muy similar a un digestor anaerobio pero se trabaja con un tiempo de retención celular más bajo y a temperatura ambiente. La figura muestra la ventana de propiedades del depósito tampón. La ventana es muy similar a la correspondiente al digestor anaerobio. De hecho, el criterio utilizado para el diseño de este elemento es el tiempo de retención celular, aunque también puede fijarse el volumen del tanque seleccionando la opción Diseño con forma prefijada. El resto de opciones son idénticas a las que aparecen en el digestor anaerobio, salvo la temperatura, el depósito tampón trabaja a la temperatura del agua de entrada. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades.

Figura 48. Ventana de propiedades del elemento depósito tampón.

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4.9.9. Deshidratación mecánica La deshidratación del fango una vez estabilizado reduce su contenido de humedad facilitando su manipulación, reduciendo los costes de transporte y reduciendo la producción de lixiviados. Los dispositivos de deshidratación utilizan varias técnicas tales como la filtración, el prensado, la compactación centrífuga, etc. La inclusión de la deshidratación mecánica en DESASS no pretende el cálculo de estos sistemas sino la posibilidad de recircular la corriente de sobrenadante a cabeza de planta. La recirculación del sobrenadante de la deshidratación (especialmente en plantas con eliminación biológica de nutrientes y digestión anaerobia de fangos) afecta en gran medida a los resultados obtenidos. El elemento deshidratación mecánica permite eliminar el agua de una corriente de fango para poder simular la recirculación del sobrenadante a cabeza de planta. La Figura 49, es un ejemplo de utilización del elemento deshidratación mecánica.

Figura 49. Ejemplo de utilización del elemento Deshidratación mecánica.

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Este elemento requiere una entrada de fango y tres salidas (agua, fango y gas). Tal y como se observa en la ventana de diseño de este elemento (Figura 48), el usuario establece las concentraciones de sólidos en el fango deshidratado y en el sobrenadante obtenido. Con estos valores, el programa realiza un balance de materia para obtener los caudales de fango y de sobrenadante. Además, el usuario debe fijar el KLa del CO2 y el tiempo de retención hidráulico. Con estos datos, el programa estima la cantidad de gas que se desabsorbe del fango. Para poder realizar el balance de los sólidos no sedimentables, en caso de recircular el sobrenadante de la deshidratación a cabeza de planta, se ha incluido una casilla para introducir la fracción de sólidos no sedimentables que se obtienen tras la deshidratación. También existe la opción de asignar directamente el valor del fango a la entrada de este elemento.

Figura 50. Ventana de propiedades del elemento deshidratación mecánica.

DESASS ofrece la posibilidad de simular la precipitación del fósforo contenido en esta corriente. Para ello se debe seleccionar la opción Con precipitación del fósforo, tal y como se 105

observa en la figura anterior. Tras seleccionar esta opción, se debe fijar el porcentaje de eliminación así como la forma en la que va a ser precipitado. Las dos posibilidades que contempla el programa son En forma de estruvita y En otros precipitados (sin amonio), con esta opción el programa permite simular procesos de precipitación incontrolada en el digestor o bien procesos de recuperación de fósforo. . La estruvita es un fosfato doble de magnesio y amonio por lo que esta opción es la más recomendable si la concentración de amonio en la corriente es elevada, normalmente tras el tratamiento de digestión anaerobia. Por el contrario tras la digestión aerobia, cuando la mayor parte del amonio se ha nitrificado, sería más conveniente la segunda opción. El programa no diseña el proceso de precipitación, simplemente calcula las concentraciones de fósforo (y amonio se es el caso) a partir del porcentaje de eliminación fijado. El programa permite simular procesos de precipitación incontrolada en el digestor o bien procesos de recuperación de fósforo mediante cristalizador.

4.9.10. Nudo El nudo es un elemento que sirve para unir distintas corrientes o para bifurcarlas. De un nudo pueden entrar y salir varias líneas. El criterio de diseño del nudo es muy simple, sólo se deben fijar los porcentajes de caudal para cada una de las líneas de salida. La suma de todos los porcentajes de caudal en las líneas que salen del nudo debe ser igual al 100%, en caso contrario el algoritmo general mostrará la ventana de propiedades del elemento con el fin de que revisen los valores. En la Figura 51 se muestra la ventana de propiedades de un nudo.

Figura 51. Ventana de propiedades del elemento nudo.

4.9.11. Soplante DESASS permite el cálculo del sistema de aireación para reactores de fangos activados y 106

digestores aerobios mediante 3 sistemas diferentes: difusores, turbinas y venturi radiales. La selección de los sistemas se realiza en la pantalla de propiedades de los elementos en cuestión. Los reactores y digestores aerobios que sean aireados por el sistema de difusores deberán estar unidos a una soplante por medio de una línea de aire. Cada reactor o digestor sólo puede estar unido a una soplante, pero una soplante puede estar unida a cuantos reactores y digestores se desee, sin importar que pertenezcan a diferentes grupos de reactores (ver Figura 52). Cada elemento soplante no representa una única soplante, sino un conjunto de soplantes formado por el número de unidades operativas y de reserva que fije el usuario.

Figura 52. Ejemplo de varios reactores de fangos y digestores aireados por un mismo conjunto de soplantes.

La Figura 53, muestra la ventana de propiedades del elemento soplante. Tal y como se observa en la figura, el usuario establece para el cálculo del sistema de aireación (opción Diseño) la marca, el número de unidades operativas, el número de unidades de reserva y las pérdidas de carga en el filtro y en la tubería. Si se selecciona la opción de calcular la aireación, DESASS calcula el número de difusores en cada tanque y el modelo de soplante que puede proporcionar la cantidad de oxígeno requerida. Si el programa no encuentra en la base de datos ningún modelo de soplante capaz de proporcionar ese caudal, automáticamente va aumentando el número de soplantes hasta encontrar algún modelo. 107

Figura 53. Ventana de propiedades del elemento soplantes.

Una vez terminado el cálculo el programa muestra una lista de modelos que necesitando la misma potencia de motor puedan proporcionar el caudal de aire necesario, esta ventana se muestra a continuación.

Figura 54. Resultados del cálculo de la aireación.

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En estado transitorio el usuario elige un modelo concreto de soplantes, ya sea el que el programa calculó en estado estacionario o cualquier otro que le parezca adecuado. También debe indicar el tiempo de respuesta de la soplante. En caso de simulación con control de oxígeno disuelto ese valor será el tiempo que esperará el sistema entre dos acciones de control. En la ventana de Control se muestra la estimación del consumo eléctrico en la simulación y se pueden modificar las curvas de control tal y como se explica en un apartado posterior.

4.9.12. Añadir reactivos La eliminación del fósforo del agua residual puede llevarse a cabo por vía biológica o por vía química. Aunque la eliminación biológica de fósforo permite el ahorro del coste de reactivos y disminuye la producción de fangos, en muchas estaciones de tratamiento se utiliza la precipitación química para eliminar el fósforo del agua residual por su elevada eficacia y la mayor simpleza en la operación. Este proceso se lleva a cabo mediante la adición de una sal normalmente de hierro o aluminio que reacciona con el fósforo formando el correspondiente fosfato metálico, que debe ser eliminado mediante un proceso posterior de sedimentación. Aunque la adición de reactivo puede realizarse antes del decantador primario o en el reactor biológico DESASS sólo contempla esta última opción. El elemento Añadir Reactivos posibilita la precipitación química del fósforo mediante la adición de un reactivo. Este elemento no tiene ninguna entrada y debe estar conectado a un reactor de fangos mediante una línea de agua. El reactor al que esté conectado puede ser óxico, anóxico o anaerobio. En la Figura 55 se muestran distintos ejemplos de la utilización de este elemento.

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Figura 55. Ejemplos de utilización del elemento Añadir reactivos.

En la ventana de este elemento, siguiente figura, el usuario elige un reactivo de la lista que proporciona el programa e introduce el caudal y la concentración del reactivo, así como el oxígeno disuelto, la temperatura, el pH y la alcalinidad de la corriente. Esto deberá hacerlo tanto en estado estacionario como en estado transitorio. Cambiando el caudal y/o la concentración del reactivo se puede conseguir la eliminación de fósforo hasta el nivel deseado.

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Figura 56. Ventana de propiedades del elemento Añadir reactivos.

La lista de reactivos está formada por distintos compuestos de hierro porque el ASM2D proporciona los valores de las constantes estequiométricas y cinéticas utilizando hierro como metal precipitante. También pueden utilizarse otros compuestos, incluyendo los valores de las constantes de éstos en el programa.

4.9.13. Reactor Batch El reactor discontinuo por cargas (Batch) consiste en un reactor en el que tienen lugar, en etapas consecutivas, tanto los procesos de eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo como los procesos de sedimentación del fango biológico. Estas etapas se pueden agrupar en un periodo de reacción en el cual el contenido del reactor se mantiene completamente agitado y un periodo de sedimentación en el cual se deja decantar el fango durante el tiempo suficiente. Tras el proceso de sedimentación se extrae el agua clarificada y se vuelve a cargar el reactor con agua residual influente. La purga de fango necesaria para controlar el tiempo de retención celular se puede realizar antes o 111

después de la etapa de sedimentación. En el periodo de reacción pueden distinguirse diferentes etapas (anóxica, anaerobia y aerobia) en función de las condiciones del medio de reacción (concentraciones de los distintos aceptores de electrones). Para poder simular este reactor, se ha introducido en DESASS un nuevo elemento denominado Batch. Dado que este reactor trabaja en régimen discontinuo nunca podrá funcionar en estado estacionario. Por tanto, este elemento, a diferencia del resto de elementos en DESASS, no permite escoger entre la opción de diseño y simulación, operando siempre en simulación. El elemento batch requiere una entrada de agua y una salida de agua. En la flecha de entrada el usuario establece el caudal y las características del agua a tratar, mientras que en la flecha de salida el programa muestra los resultados del cálculo. En la pantalla de diseño de este elemento el usuario establece los criterios de funcionamiento. En la ventana Condiciones de operación (ver Figura 57) el usuario fija el tiempo total de duración del ciclo y los tiempos de duración de las etapas anaerobia y aerobia. El programa calcula el tiempo de sedimentación por diferencia de los tiempos anteriores. En la pantalla de diseño del Batch se considera etapa anaerobia al periodo en el que no está funcionando la aireación. Este periodo podrá ser anóxico, anaerobio o una secuencia de etapas anóxica-anaerobia en función de la existencia o no de nitratos en el reactor.

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Figura 57. Ventana de condiciones de operación del elemento Batch.

En la ventana Criterios de diseño, (ver Figura 58) el usuario fija el volumen y el calado del reactor, modifica los parámetros cinéticos de las distintas bacterias pulsando el botón Cinética y elige la opción de purgar antes o después de la sedimentación. Purgar después de la sedimentación sólo será posible si el usuario elige la opción de calcular la etapa de sedimentación, que se encuentra en la pestaña se Sedimentación. Si la purga se realiza antes del proceso de sedimentación, el usuario debe fijar el tiempo de retención celular y el programa calcula la purga necesaria para mantener ese tiempo de retención. Si la purga se realiza después, el usuario debe fijar directamente el volumen de purga calculándose el tiempo de retención celular resultante. En el cálculo del tiempo de retención celular no se tiene en cuenta el tiempo de la etapa de sedimentación.

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Figura 58. Ventana de criterios de diseño en la pantalla de diseño del Batch

En esta ventana el usuario también fija el KLa del CO2 en la etapa anaerobia y decide mediante la opción Oxígeno disuelto fijo si desea trabajar en la etapa aerobia con una concentración de oxigeno constante o con una velocidad de aireación constante. Seleccionando esta opción se deberá fijar la concentración de oxígeno disuelto y el programa calcula el valor del KLa necesario para mantener dicha concentración. Si no se selecciona, el usuario debe fijar el coeficiente de transferencia para el oxígeno y el programa calcula la concentración de oxígeno disuelto en cada momento. El elemento batch ha sido incluido en DESASS asumiendo la aireación mediante el sistema de difusores y soplantes, no siendo necesario conectar dicho elemento a una soplante. En la ventana de Criterios de diseño (Figura 58) el usuario establece las concentraciones iniciales de todos los componentes del modelo a partir de los cuales comenzará la simulación. Para ello el usuario debe pulsar el botón Datos iniciales, apareciendo entonces otra pantalla (ver figura 56) donde fijará los valores antes comentados. En este elemento son muy importantes los valores iniciales de los microorganismos para permitir su desarrollo. Si la concentración inicial de algún 114

grupo de bacterias es cero y no existen en el agua de entrada nunca podrían aparecer en el reactor aunque tengan alimento.

Figura 59. Ventana de datos iniciales del elemento Batch.

Terminada la simulación del primer ciclo, el programa retira del reactor el volumen de purga (introducido por el usuario o calculado a partir del tiempo de retención celular) y el volumen correspondiente de agua tratada y los reemplaza por agua residual. El volumen de vaciado al final del ciclo se calcula teniendo en cuenta el caudal de agua a tratar (m3/día) fijado en la flecha de entrada y el número de ciclos por día calculado a partir de la duración total del ciclo. El programa calcula las concentraciones iniciales del ciclo siguiente asumiendo una mezcla inmediata del contenido del 115

reactor con el agua residual introducida. La opción Utilizar Solución Anterior, que aparece en la ventana de Criterios de diseño (ver Figura 58) permite al usuario continuar las simulaciones a partir de la solución alcanzada en el último ciclo simulado. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. En la ventana de Sedimentación que se muestra en la Figura 60, el usuario decide si desea Calcular la etapa de Sedimentación. Si se selecciona esta opción se debe fijar el IVF y el resto de parámetros de sedimentación, mientras que si no se selecciona debe fijar únicamente la concentración de sólidos que se escapan con el agua tratada.

Figura 60. Ventana de parámetros de sedimentación en el elemento Batch.

En este elemento el proceso de sedimentación se calcula con el mismo modelo de 116

sedimentación unidimensional utilizado en decantadores y espesadores y considerando que el reactor está dividido en 10 capas horizontales. En este caso no existe la posibilidad de modificar el número de capas porque no se considera tan importante la sedimentación como en el caso de decantadores y espesadores. En el batch la sedimentación nos indica únicamente la cantidad de sólidos que quedan retenidos en el reactor después de su vaciado y purga y los que escapan con el agua tratada y con la purga. La sedimentación se inicia asignando a todas las capas la concentración de las distintas especies al final del periodo de reacción y se obtiene, después del tiempo asignado de sedimentación, el perfil de sólidos en todo el reactor. Durante este periodo también se calculan los procesos biológicos que tienen lugar en cada capa.

4.9.14. Bioreactor de Membranas Un biorreactor de membranas consiste en la combinación de dos procesos básicos: la degradación biológica y la separación por membrana, en un único proceso donde los sólidos en suspensión y los microorganismos responsables de la biodegradación son separados del agua tratada mediante la unidad de filtración por membrana. Toda la biomasa queda confinada dentro del sistema, proporcionando un control perfecto del tiempo de permanencia de los microorganismos en el reactor y la desinfección del efluente. Una de las principales ventajas del biorreactor es la calidad del efluente producido, ya que el sistema permite simultáneamente tratar biológicamente y desinfectar. Se puede lograr la completa retención de toda la materia suspendida, incluyendo bacterias y virus. Para poder representar el funcionamiento de un biorreactor de membranas integrado se ha implementado en DESASS este elemento. El elemento recibe una entrada de agua, y dispone de dos salidas, una de agua (efluente) por la cual sólo salen componentes solubles, y otra de fango (purga) por la que salen tanto componentes solubles como particulados, tal como se observa en la Figura 61. Debido a que este elemento es aireado por medio de difusores, se necesita conectar una soplante mediante una línea de aire. Este elemento permite el funcionamiento en continuo y tiene la posibilidad de elegir entre diseño (estado estacionario) o simulación (régimen transitorio).

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Figura 61. Configuración del esquema del elemento reactor de biomembranas.

La Figura 62 muestra la ventana de diseño del elemento bioreactor de membranas. Tal y como se observa en la figura, el diseño del bioreactor de membranas se puede hacer fijando el tiempo de retención hidráulico y calculando el volumen, o bien, fijando el volumen y calculando el tiempo de retención hidráulico. Marcando la opción Diseño con volumen prefijado el usuario fija el volumen y si no la marca, el tiempo de retención hidráulico. Para poder obtener el caudal de purga del sistema será necesario introducir el tiempo de retención celular. Al igual que en el digestor aerobio, el usuario debe fijar la concentración de oxígeno en el reactor, tanto en condiciones medias como a caudal punta. Pulsando el botón Cinética aparece la misma pantalla que para el reactor de fangos y el usuario puede ver y modificar los valores de las distintas constantes cinéticas de los distintos grupos de bacterias considerados. La opción Tanque cerrado permite representar la posibilidad de tener cerrado herméticamente el tanque de membranas. En este tanque se deja un espacio para el gas que se mantiene a presión constante. El gas recogido (aire empobrecido en oxígeno que se ha transferido al agua y renriquecido en CO2 que se ha generado se recircula para agitar las membranas. De esta forma se reduce el caudal de aire que se introduce lo cual permite controlar la concentración de oxígeno en el valor deseado. El 118

hecho de mantener el sistema cerrado herméticamente aumenta la concentración de saturación del CO2 con lo que se evitan las subidas de pH causantes en gran medida del ensuciamiento químico de las membranas. En consecuencia, una de las ventajas que presenta trabajar con tanque cerrado es la reducción del fouling en las membranas. En esta opción el usuario selecciona la presión del gas en la cámara de membranas y el coeficiente de desabsorción del CO2. Las subventanas Geometría y Aireación; Maq. Auxiliar son análogas a las que aparecen en la pantalla de diseño de reactor de fangos con la salvedad de que el bioreactor de membranas no puede presentar recirculación interna.

El reactor de membranas permite la conexión con otros elementos. Adicionalmente si el bioreactor va a trabajar junto con otros reactores biológicos, será necesario una línea de recirculación de agua, el caudal que circulará por dicha línea lo fija el usuario en la pantalla de diseño (ver Figura 62). En la pantalla de diseño, también se han incluido las opciones para fijar la cantidad de SST en el efluente, así como la relación interna de recirculación que sale (ver Figura 62).

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Figura 62. Pantalla de diseño del Bioreactor de membranas.

4.9.15. Reactor anaerobio de membranas El funcionamiento de un AnMBR es similar a un MBR con la excepción que en este caso, el sistema permanece herméticamente cerrado para el almacenamiento y recolección del biogás producido. Estos reactores de membrana combinan básicamente el proceso anaerobio de degradación de MO, con un sistema físico de separación por membranas. Como resultado de la combinación, se obtiene un efluente exento de sólidos y en algunos casos, exento de bacterias y de patógenos (dependerá del tamaño de poro de la membrana seleccionada). Este tipo de sistemas permiten obtener

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TRC lo suficientemente elevados para el completo desarrollo de la biomasa anaerobia, gracias a la gran capacidad de retención de sólidos que presentan las membranas, evitando además, la problemática existente con la sedimentabilidad de los fangos anaerobios. El bioreactor de membranas anaerobias recibe una entrada de agua, y dispone de tres salidas, una de agua (efluente) por la cual sólo salen componentes solubles, otra de fango (purga) por la que salen tanto componentes solubles como particulados, y otra de biogás generado en el proceso. Este elemento permite el funcionamiento en continuo y tiene la posibilidad de elegir entre diseño (estado estacionario) o simulación (régimen transitorio). La Figura 63 muestra la ventana de diseño del elemento bioreactor de membranas anaerobio. Tal y como se observa en la figura, el diseño del bioreactor de membranas anaerobias se puede hacer fijando el tiempo de retención celular o fijando el caudal de purga. Esta ventana da la posibilidad de fijar el volumen del fango, el volumen del gas, la temperatura, la presión y la opción de Diseño de forma prefijada, esta última opción implica introducir el diámetro del tanque en la pestaña Geometría. Marcando la opción Diseño con volumen prefijado el usuario fija el volumen y si no la marca, el tiempo de retención hidráulico. Pulsando el botón Cinética aparece la misma pantalla que para el reactor de fangos y el usuario puede ver y modificar los valores de las distintas constantes cinéticas de los distintos grupos de bacterias considerados. El programa también permite conectar la opción de formación de precipitados en este elemento, si con anterioridad se ha conectado Calcular precipitación desde el menú Utilidades. El usuario también puede fijar la fracción no sedimentable del fango de entrada al reactor y la posibilidad de emplear membranas externas, si se activa la opción de estas últimas debe introducirse la relación del caudal recirculado y el caudal de entrada.

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Figura 63. Pantalla de diseño del Bioreactor de membranas anaerobio.

4.9.16. Reactor BABE Un reactor BABE (Bio-augmentation Batch Enhanced) es un reactor de fangos activados aerobio que favorece el crecimiento de las bacterias nitrificantes. Este reactor se alimenta con el agua procedente de la deshidratación de fangos digeridos anaerobiamente (posee elevadas concentraciones de nitrógeno amoniacal) y un pequeño porcentaje del caudal de recirculación de fangos (Figura 64). El reactor BABE permite conseguir la nitrificación completa en sistemas de fangos activados que trabajan a tiempos de retención celulares inferiores al óptimo para el proceso de nitrificación. El problema en un sistema de fangos activados es que su capacidad de nitrificación es limitada a bajas temperaturas (