introducci+¦n a biowin-simptot

Introducción a BioWin

ASPECTOS QUE INDUCEN A LA UTILIZACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN

La mayor complejidad de los procesos necesarios para eliminar los nutrientes N y P (Limitaciones de los métodos convencionales)

Eliminación materia orgánica carbonosa Nitrificación

Desnitrificación biológica Desfosfatación biológica

-Eliminación otros compuestos -Reducción consumo energético y reactivos -Minimización de emisiones GHG

ASPECTOS QUE INDUCEN A LA UTILIZACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN

La progresiva ampliación del conocimiento de los procesos y su concreción en modelos matemáticos de simulación validados

La accesibilidad a estos modelos mediante las plataformas de simulación comerciales

MODELOS PLANT-WIDE

Influente anox 1 Dec secundario

Purga Fango

Efluente oxic 1 Bombeo Ri

Espesador

Digestor anaerobioBombeo a digestión Centrífuga

Fango deshidratado

Arqueta retorn FlotadorArqueta retornos 2

oxic 2

Tampón

Dec primarioDesarenador

Arenas

Influente decantado anox 1 Dec secundario

Purga Fango

Efluente oxic 1 Bombeo Ri oxic 2

Fango B

S E N C I L L O

C O M P L E J O

CONSIDERACIONES GENERALES

Los Modelos son simplificaciones de la realidad

Los datos de base son propensos a errores La calidad de los resultados obtenidos con un modelo bien estructurado está directamente ligada a la de los inputs aplicados

“La simulación es una herramienta muy útil ….. pero no sustituye a la experiencia

y el arte de la ingeniería”.

Características del agua residual

ASESORIA TÉCNICA Y CONTROL, S.A. 6

LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIA CARBONOSA

• La DQO proporciona una base consistente para la

descripción del proceso de fangos activados fundamentada en la utilización del sustrato orgánico

HETY-1

Biomasa

CO2 + H2O + energía

Aceptor e-

LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIACARBONOSA

• La DQO permite realizar balances de masa en el proceso:

• Masa de DQO influente=DQO del efluente +DQO del fango purgado+O2 consumido en la utilización de la materia orgánica

• DQO/SSV de la biomasa ≈ 1.48 mg DQO/mgSSV

• La DBO5 NO permite realizar balances de masa en el proceso:

• La DBO5 sólo mide la porción de e- eq del sustrato utilizada en la producción de energía y excluye la porción utilizada en la generación de biomasa

LA DQO COMO PARÁMETRO REPRESENTATIVO DE LA MATERIA CARBONOSA

COMPONENTES DE LA DQO

DQO TOTAL INFLUENTE

Biodegradable No biodegradable

Rápidamente Biodegradable

Lentamente

Biodegradable Xs

Soluble

Particulada

Compleja VFA Particulada

Xsp Coloidal

DQO TOTAL INFLUENTE

Lentamente

Biodegradable Xs

Soluble

Particulada

Compleja VFA Particulada Xsp

Coloidal Xsc Eficiencia eliminación N

Eficiencia eliminación P Volumen tanque anóxico Variación espacial aeración

DQO TOTAL INFLUENTE

Lentamente

Biodegradable Xs

Soluble

Particulada

Coloidal Xsc

Eficiencia decantación primaria Eficiencia eliminación N Variación espacial aeración

DQO TOTAL INFLUENTE

Lentamente

Biodegradable Xs

Soluble

Particulada

Coloidal Xsc

Valor DQO efluente

DQO TOTAL INFLUENTE

Lentamente

Biodegradable Xs

Soluble

Particulada

Coloidal Xsc

Producción fango MLSS Tamaño Clarificador Eliminación SSV digestor

DQO RÁPIDAMENTE BIODEGRADABLE (Sbs/Ss)

TBSBS DQOfS ⋅=

)()( complejaSAVGSS BSCBSABS +=

BSACBSA SfS ⋅=

BSACBSC SfS ⋅−= )1(

DQO RB (Sbs) vs. DQO lentamente biodegradable (Xs):

- Respuesta OUR - Desnitrificación - Eliminación biológica del P

DQO SOLUBLE NO BIODEGRADABLE (Sus/Si)

TUSUS DQOfS ⋅= Comentarios:

- Pasa íntegramente al efluente Determina la concentración de DQO efluente (junto con los SS)

Supuesto : - El efluente no contiene DQO soluble

biodegradable residual - El proceso no genera DQO soluble no

biodegradable

Si ≈ DQOt ef-(SSef x MLVSS (%) x 1.48)

DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi)

TUPI DQOfX ⋅=

Comentarios: - Se acumula en el proceso - Se elimina vía purga (y efluente) - Incrementa la proporción de SSVLM al

aumentar la edad del fango (SRT)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Fraction Unbiodegradable Particulate

SRT = 5 daysSRT = 10 daysSRT = 15 daysSRT = 20 days

Efecto del SRT y fup sobre SSVLM

Tiempo de retención hidráulico 6 horas DQO Total Influente = 500 mg/L

El valor elevado de Xi de las columnas (2 ) y (3) es la causa del reducido % de eliminación de MV debido a su condición de inerte Un incremento del volumen de digestión o del tiempo de retención puede tener un efecto nulo o limitado sobre el % de eliminación de

Parámetro Valor Típico

Valor específico

(3) Rápidamente biodegradable Ss 0.16 0.16 0.16

Soluble inerte Si 0.05 0.03 0.03 Lentamente biodegradable Xs 0.66 0.60 0.51 Particulada inerte Xi 0.13 0.20 0.30

%Reducción MV 48.72 43.17 34.71

INFLUENCIA DE Xi SOBRE LA ELIMINACIÓ DE MV EN DIGESTIÓN ANAEROBIA

LENTAMENTE BIODEGRADABLE DQO (Xi)

INDICADORES RELACIONADOS Ratio DQO/CBOD5 del influente : Un valor elevado indica ,normalmente,un valor alto de Xi

Fracción SSVLM/SSLM : Un valor elevado indica ,normalmente,un valor alto de Xi

Característica Agua

Residual Cruda Decantada

Influente DQO/CDBO5 2.0 – 2.2 1.9 – 2.0

Licor Mezcla VSS/TSS 0.75 0.83

LENTAMENTE BIODEGRADABLE DQO (Xs)

Estimación por diferencia

)( SPSCIUSBST XXXSSDQO ++++=

TUPUSBSSPSC DQOfffXXXs ⋅−−−=+= )1()(

MEDIDA DE LOS COMPONENTES DE LA DQO

FRACCIONES MEDIBLES DIRECTAMENTE

• DQO Rápidamente biodegradable (Sbs/Ss) • DQO soluble no biodegradable (Sus/Si) • DQO lentamente biodegradable coloidal (Xsc) Métodos de medida Respirométricos Fisico-químicos

FRACCIÓN NO MEDIBLE DIRECTAMENTE • DQO particulada no biodegradable (Xi) Métodos de medida Precisa sistema fangos activados

MEDIDA DE LOS COMPONENTES DE LA DQO MÉTODO FISICO-QUÍMICO (WERF)

Floculación

Ss + Si + Xc + Xsp + XI

Ss + Si + Xc

Ss + Si

Filtración

Glass fiber (1.2 µm)

Membrana (0.45 µm)))

AGUA BRUTA

Filtrado 1: DQOf

Filtrado 2: DQO ff

Floculante : ZnSO4

DQO NO BIODEGRADABLE PARTICULADA (Xi/fup)

No puede medirse con métodos directos – Medida / estimación

• Ajustar el valor observado de SSVLM variando iterativamente el de fUP (simulación o con la ecuación)

Debe conocerse con precisión el valor de SRT del sistema

+++−−

= UPXHETXHET

HETUPUS

XTDQOVSS ffb

VfDQOQ

X )1(1

)1( θθ

COMPONENTES DE LA DQO Valores por defecto de BioWin 3.1

FRACCIÓN CRUDA DECANTADA

Ss - Rápidamente biodegradable(inluyendo Acetato) 0,16 0,27

Fac - Acetato (fracción de Ss) 0,12 0,15

Xs - Particulada lentamente biodegradable 0,66 0,57

Xsp - Lentamente biodeg.no coloidal (fracción de Xs) 0,75 0,50

Xi - Particulada no biodegradable 0,13 0,08

Si - Soluble no biodegradable 0,05 0,08

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL

COMPONENTES DEL NTK

NTK INFLUENTE

Nitrogeno orgánico total

N amoniacal (libre y combinado)

Biodegradable

No Biodegadable

Soluble

Particulada

Soluble

Particulada

COMPONENTES DEL NTK Valores por defecto de BioWin 3.0

Fna - Nitrógeno amoniacal (grN-NH3/grNTK) 0,66 0,75

Fnox - Nitrógeno orgánico particulado (grN/gr Norg) 0,50 0,25

Fnus –Nitrógeno soluble no biodegradable (grN/grNTK) 0,02 0,02

COMPONENTES DEL P

COMPONENTES DEL FÓSFORO

P total INFLUENTE

Ortofosfato Fósforo orgánico

Biodegradable

No Biodegradable

Soluble

Particulado

S Soluble

Particulado

COMPONENTES DEL P Valores por defecto de BioWin 3.0

Fpo4 - Fosfato (grP-PO4/grP total) 0,50 0,75

FupP - Ratio P/DQO biodegradable particulada grP/grDQO) 0,50 0,25

OTROS COMPONENTES

OTROS COMPONENTES – Sólidos Suspendidos Inertes (ISS) – Alcalinidad – Tasa máxima de crecimiento de nitrificantes

OTROS COMPONENTES

SÓLIDOS SUSPENDIDOS INERTES – Se acumulan en el licor mezcla – Influye en el dimensionamiento de reactores,

sedimentadores, manejo de fangos, etc. – Medida:

VSSTSSXISS −=

Valores Típicos

Agua cruda

Agua decantada

XISS (mg/L) 25 - 45 10 – 25

OTROS COMPONENTES

Alcalinidad : - Muy importante en la nitrificación - Se consume 7.1 gr CO3Ca/gr N-NH4 nitrificado - Debe haber una alcalinidad residual no inferior a

100 mg/l

OTROS COMPONENTES

• ¿ Por qué la tasa de nitrificación (µA) ? – Contenido de N-NH4 en el efluente – µA varía de planta a planta (característica del agua residual) – Establece la capacidad de nitrificación de la planta – Determina el volumen necesario del reactor

0 5 10 15 20

SRT (days)

NA b−≈µ

1Mínimo SRT

INFLUENT SPECIFIER

• Herramienta de ayuda para la estimación de las fracciones de la DQO

• Utilización cuando no se dispone de información analítica suficiente para definir todas las fracciones con valores medidos

• Proporciona un conjunto de valores de las fracciones compatible con la composición de la DQO y las fracciones de N y P del afluente

• El resultado no es único,la solución se sitúa dentro de una banda de valores

• Disponible para afluente bruto y efluente decantado

INFLUENT SPECIFIER

Introducción a la modelización y simulación de procesos biológicos

MODELOS DE FANGOS ACTIVADOS

Influente Anoxico Aerobio Decantador sec. Efluente

Fango biológico

Purga fango

Recirc.Interna

PLANTAS DE ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES

OBJETIVOS GENÉRICOS

• Eliminar carbono • Eliminar N • Eliminar P • Eliminar otros componentes (DQO,DBO,SS etc) • Uso mínimo de energía y productos químicos • Producir mínimas emisiones GHG

CONDICIONES AMBIENTALES

• Óxica Existencia de oxígeno molecular

• Anóxica Ausencia de oxígeno molecular y existencia de NO2 /NO3

• Anaerobia Ausencia de oxígeno molecular

y de NO2 /NO3

ORGANISMOS DEL SISTEMA

• Heterótrofos ordinarios (OHOs)

• Heterótrofos Poly P acumuladores de fósforo(PAOs)

• Organismos Autótrofos (AOBs/ NOBs)

MECANISMO ESQUEMÁTICO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS ORGANISMOS ACUMULADORES DE FÓSFORO

(PAOS)

ROLES DE LOS MICROORGANISMOS HETEROTRÓFOS ORDINARIOS y POLYP (PAOs)

O CO2 2NO3

POLYP ORGANISMS POLYP ORGANISMS( a fraction )

POLYP ORGANISMS

O CO2 2NO3

PARTICULATESUBSTRATE

SOLUBLESUBSTRATE

NON-POLYP ORGANISMS NON-POLYP ORGANISMS NON-POLYP ORGANISMS

PARTICULATESUBSTRATE

SOLUBLESUBSTRATE

COMPLEXSOLUBLESUBSTRATE

ANAEROBICBEHAVIOR

ANOXICBEHAVIOR

AEROBICBEHAVIOR

UTILIZACIÓN DE SUSTRATO PARA CRECIMIENTO CELULAR AMBIENTE AEROBIO

HETY-1

Biomasa

UTILIZACIÓN DE SUSTRATO PARA CRECIMIENTO CELULAR AMBIENTE ANÓXICO

HETY-1

Biomasa

NO2/NO3

ASPECTOS CARACTERÍSTICOS DE LOS MODELOS Ningún modelo incluye GAOs competidores de PAOs Org. Filamentosos – bulking Org. causantes espumas – foaming

PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BioWin 3.1

PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.1 INTRODUCCIÓN

• El modelo “General” de BioWin es un “plant wide model”(supermodel) que integra en una matriz única los componentes y reacciones de la totalidad de los procesos de la planta,obviando la necesidad de simularlos por separado,p.e. línea de agua y línea de fango

• Este aspecto simplifica notablemente la utilización del modelo y proporciona gran versatilidad de funcionamiento

PLANTA COMPLETA

Influente Anoxic 1 Anoxic 2 Oxic 3 Oxic 4 Decantador 2 EffluenteBombeo RiDecantador primario

FlotadorEspesador

Digestión anaerobia Tampón Centrífuga

Arqueta retornos 1Arqueta retornos 2

Fango deshidratado

Oxic 5Desarenador

Arenas

PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.1 INTRODUCCIÓN

• BioWin es una plataforma de simulación que incluye diversos modelos:

• Modelo “General” de BioWin versión 3.1 Fangos activados (AS) Digestión anaerobia (AD) Eliminación biológica y química de fósforo

Separación de fases (sedimentación y flujo de sólidos) Sistemas de aeración (difusores,turbinas,rotores) Desarrollo de modelos (Model Builder) • Modelo de Biofilm 1-D • Familia de modelos ASM (ASM1-ASM2d-ASM3) • BioWin Controller

PLATAFORMA DE SIMULACIÓN BIOWIN 3.0 POTENCIAL DE UTILIZACIÓN

• Cualquier configuración BNR (eliminación nutrientes) • Canales de oxidación ( CARRUSEL,ORBAL.etc) • Bioreactores de membrana (MBR) • Procesos con biofilm (MBBR,IFAS,BAF,RBC,TF) • Reactores secuenciales (SBRs,ICEAS,UNITANK, etc) • Digestión anaerobia (AD) • Prefermentación de fango • Nitrificación-desnitrificación en dos etapas • Procesos de tratamiento “sidestream” (SHARON, ANNAMOX,InNitri,CANON,BABE,DEMONT,etc)

NITRIFICACIÒN/DESNITRIFICACIÒN EN DOS FASES

1 mol Amonio (NH3/ NH4

1 mol Nitrito (NO2

1 mol Nitrato (NO3

75% O2

Ambiente autótrofo Aerobio

1 mol Nitrito (NO2

½ mol GasNitrógeno (N2 )

25% O2

40% Carbon

60% Carbon

Ambiente heterótrofo anóxico

Ventajas: • 25% Reducción de Demanda de Oxígeno • 40% Reducción de Demanda de carbono(e

- donor)

• 40% Reducción de Producción de Biomasa

MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD)

COMPONENTES DE LA BIOMASA:

• Org.heterotrófos (OHOs y PAOS/PolyP ) • Org.utilizadores anóxicos de metanol • Org.Nitrificantes (AOBs y NOBs) • Org. Acetogenicos propiónicos • Org.Metanogénicos acetoclásticos • Org.Metanogénicos hidrogenotrófos • Residuo endógeno

MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD)

Procesos genéricos incluídos en el modelo – Crecimiento biológico – Muerte biológica – Reacciones de hidrólisis – Fermentación – Amonificación – Cesión/Captación de Fósforo – Precipitación química – Transferencia de gases/líquido

MODELO GENERAL FANGO ACTIVADO – DIGESTION ANAEROBIA (AS/AD) .PARÁMETROS

Cinéticos – Crecimiento)

– Muerte (lisis celular ) – Funciones de cambio – Hidrólisis, almacenamiento,etc

Estequiométricos – p.e. síntesis,nutrientes,etc

PARÁMETROS CINÉTICOS BioWin 3.1

PARÁMETROS ESTEQUIOMÉTRICOS BioWin 3.1

MECANISMOS DEL MODELO AS (MUERTE-REGENERACIÓN) (Dold)

decay Xb

hidrólisis

degradación

MODELO AS :FORMULACIÓN

Utilización sustrato Muerte Crecimiento neto

X = Concentración de biomasa µ = Tasa específicade crecimiento b = Tasa específica de muerte

XdX/dt µ=

XdX/dt b−=

b)X-(dX/dt µ=

YdS/dtdtdX =/X/YdS/dt ⋅= µ

Crecimiento

MODELO AS :FORMULACIÓN (p.e. Utilización del sustrato)

Estequiometría 1 unidad de sustrato utilizado Y unidades de biomasa producida (1-Y) unidades de O2 consumidas

iXBN unidades de NH4-N utilizadas para síntesis

iXBP unidades de PO4-P utilizadas para síntesis

b)X-SK

(dS/dtSS

Cinética

Utilización sustrato Crecimiento heterotrofos H

S b)X-SK

S(+⋅

MODELO AS (PRESENTACIÓN MATRIZ DE PETERSEN)

PROCESOS

COMPONENTES TASA Sustrato

Ss Biomasa

XH Residuo

XE Oxígeno

O2 Utilización sustrato

-(1-Y)

Muerte endógena -1 +f -(1-f) b· XH

S Y +µ

FUNCIONES DE CAMBIO

• Modifican la tasa de un proceso por factores ambientales,limitaciones de nutrientes ,inhibicion por pH,etc

Ejemplo:Influencia de la alcalinidad sobre la nitrificación

ALKALK

ALKAUT

AUT3NO SK

⋅⋅+

+ ALKALK

FUNCIONES DEL SIMULADOR

– Simulaciones en estado estacionario • Resolver ecuaciones algebraicas no lineales • Calcular las concentraciones de cada componente

en cada punto del sistema • Balances de masas

– Simulaciones Dinámicas – Integrar procesos unitarios en los modelos

disponibles Optimizar

Diseño Operación

CAMPO DE VALIDEZ DEL MODELO

Supuestos inherentes a los modelos – Intervalo de la edad del fango SRT (≈3 a ≈30 dias) – Configuración hidraúlica del reactor biológico (N tanques en serie) – Condiciones de mezcla completa ideal – Precipitación química espontánea limitada

SUPUESTOS SIMPLIFICATORIOS

Características afluente: • Se supone que las fracciones de DQO permanecen invariables Decantación primaria: • Todos los componentes particulados(Xi ,XSP ,SSI) son

eliminados en la misma proporción (misma V decantación) • Fangos activados : • Se supone que el efluente no tiene SS ni XSC

• El proceso no genera productos solubles no biodegradables (origen microbiano)

Decantación secundaria / SBRs : • Reactividad biológica en la fase de decantación en condiciones

de mezcla completa

ESTIMACIÓN DEL NÚMERO EQUIVALENTE DE TANQUES EN SERIE DE UN REACTOR

• Empleo de trazadores • Método aproximado WRC

HW)R(1QL7.4N Rt

⋅+⋅⋅

Nt =Número equivalente de tanques en serie L = longitud total del tanque de aeración (m) Q = Caudal de influente (m3/s) Rr =Ratio de recirculación de fango /adimensional) W =Anchura del tanque /m) H = Altura de lámina (m)

Separación de fases y modelización de la decantación secundaria

FUNCIÓN DEL MODELO

Predicción de los sólidos del efluente

Predicción de la concentración del fango de retorno (RAS) Predicción del manto de fango (perfil de sólidos)

- Calidad del efluente - SRT

- SRT (mediante la purga) - Distribución de la biomasa

Distribución de la biomasa

TIPOS DE MODELOS DISPONIBLES

Tres tipos de modelos:

1. Separador puntual – Sin Volumen (V=0) – % de eliminación de sólidos

2. Decantador ideal (primario y secundario)* – % eliminación de sólidos – Manto de fangos fijo

3. Decantador Modelo (1-D)*

– Vesilind modificado – Doble Exponencial – Varios parámetros de decantación

* Con o sin reacciones biológicas

DECANTADOR IDEAL

MODELO DE SEDIMENTACIÓN 1D

División del decantador en capas

MODELO UNIDIMENSIONAL DE SEDIMENTACIÓN

• Balance de masas en las capas Quantifica el movimiento de sólidos entre las capas

• Movimiento de masa • Flujo gravitatorio de • sólidos • Condiciones de contorno

PARÁMETROS DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN ZONAL

Relación velocidad de sedimentación

zonal-concentración de sólidos (Vesilind)

La velocidad de sedimentación zonal decrece al aumentar la concentración de sólidos

(m/h) 0XK

S eVV −=

PARÁMETROS DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN ZONAL

Vs – velocidad de sedimentación

X – concentratión de sólidos

(m/h) eVV XK0S

CONDICIONANTES DEL BALANCE DE MASAS

Balance de masas en el decantador

secundario X0

XE ≈ 0

QI + QR

CONDICIONANTES DEL BALANCE DE MASAS

R (%) Factor de Concentración

SS (mg/L) en Fango retorno

100 2 5,000 50 3 7,500 25 5 12,500 10 11 27,500

Concentración del fango de retorno .XR para para X0=2500 mg/L

Maxima compactación de sólidos,XM

CLARIFICACIÓN

• Teoría de Flujo de sólidos y sedimentación zonal Espesado de los sólidos

Aplicación de diversos procedimientos empíricos - Fracción de sólidos no sedimentables - Modelo de Pflanz - Modificar la velocidad de sedimentación a

concentraciones de fango bajas

¿Qué pasa con la clarificación y los sólidos del efluente?

CLARIFICACIÓN

• Solución BioWin

mg/L 200 - 20 0 ≈

+= −

XKXeVV

Utilizar una Función de cambio para reducir la velocidad de sedimentación a concentraciones bajas de sólidos

0pequeño es Si

1grande es Si

+ XKsX

RESUMEN

Parámetro Unidad Fango Normal

Fango Bulking

Fango viejo

Ks mg/L 100 20 200

K L/g 0.4 0.6 0.25

Vo m/d 170 130 200

XM mg/L 15,000 7,000 20,000

Valores por defecto de los parámetros

REACCIONES BIOLÓGICAS EN EL MANTO DE FANGO

• Utilizar decantador reactivo cuando el reactor contiene una masa de fango significativa • En decantadores secundarios :

• Se produce desnitrificación (N-NO3/N-NO2) • Se produce redisolución de P (P-PO4)

– En decantadores primarios: • Se produce Fermentación (VFA) • Se produce hidrólisis del NTK (N-NH4)

RESUMEN • Comenzar con modelo ideal • Utilizar el decantador modelo si es necesario:

– Cambios en la concentración de sólidos del efluente/manto de fango (p.e. episodios de lluvia)

– Cambios en la masa total de fango en el decantador (p.e. episodios de lluvia)

• Calibrar los parámetros de Vesilind del modelo – Compactación máxima (XM) – Parámetros de la sedimentación zonal (VO y K) – Función de cambio de la clarificación (KS)

• Utilizar el decantador reactivo si es necesario

Sistemas de aeración

IMPORTANCIA DEL MODELO DE AERACIÓN

Flocculation and filtration

8%Sludge treatment

Infrastructure and miscellaneous

Pumping (wastewater)

5%Pre-treatment

Biological treatment and settling (incl. sludge pumping)

Floculación y filtración 8% Tratamiento de fango

Varios 6%

Bombeo (afluente Planta ) 5 %

Pretratamiento 3 %

Tratamiento biológico y sedimentación incluso bombeo fango 67 %

CONSUMO ENERGÉTICO EN LA EDAR DE FANGOS ACTIVADOS

DISEÑO DEL SISTEMA DE AERACIÓN

Permite

– Estimación rápida de • Densidad de difusores • Profundidad del reactor • Necesidades de aire • Impacto de las condiciones

operativas de la planta – Edad del fango (SRT) – Temperatura – Consignas de D.O.

• Comprobación de factores tales como el intervalo de caudales de aire por difusor

DISEÑO DEL SISTEMA DE AERACIÓN

• Cuantificaciónde la variación de la demanda de

oxígeno • Temporal • Espacial

AERACIÓN CON DIFUSORES POROSOS FINOS EFICIENCIA DE UN DIFUSOR

SOTE (%/m) vs Caudal de aire por difusor

El modelo debe tener en cuenta… - Disminución de la SOTE al incrementar el caudal de aire - Impacto de la densidad de difusores

0 1 2 3 4 5 6 7 8

AIR FLOW PER DIFFUSER (m3/h/diffuser)

DD = 35%DD = 25%DD = 10%DD = 4%DD = 2%

AERACIÓN CON DIFUSORES DE BURBULA GRUESA EFICIENCIA DE UN DIFUSOR

SOTE (%/m) vs Caudal de aire por difusor

El modelo debe tener en cuenta… - Impacto de la densidad de difusores

0 5 10 15 20 25 30

AIR FLOW PER DIFFUSER (SCFM/diffuser)

DD = 35.0%

DD = 25.0%

DD = 10.0%

DD = 4.0%

DD = 2.0%

MODELIZACIÓN DEL SISTEMA DE AERACIÓN

Modelo fangos activados

Eliminación carbono Nitrificación

Respiración Endógena

Volumen tanque Caudales

OTR necesaria

[ ] VCCaKFOTR *20T20L ⋅−⋅β⋅θ⋅⋅α= −

Varía con KLa

ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA EN CONDICIONES DE CAMPO

Tasa de transferencia de oxígeno – EPA Design Manual for Fine Pore

Aeration Systems (EPA/625/1-89/023)

Requiere información sobre el coeficiente de transferencia Kla y αF

[ ][ ][ ] VCCaKF

VCCaKFVCCaKOTR

20T20L

*20T20L

⋅−⋅β⋅Ω⋅τ⋅θ⋅⋅α=

⋅−⋅β⋅θ⋅⋅α=

⋅−⋅=

Parámetro KLa

• Investigación en laboratorio – Resultados

)//(mreactor del Area / 23 dmQUdonde

AIRESG =Y

YSGL UCaK ⋅=

C varía con la densidad de difusores

Y constante para cada difusor

1 kDDkC +⋅=

Parámetro α

• Estimación de α Medidas en campo

– Método Off-gas – Técnica de Desoxigenación (H2O2)

Simulation – Utilización de datos dinámicos del sistema de aeración

• Nota: – α varía espacialmente a lo largo del reactor,

temporalmente a lo largo del día, etc.

PARÁMETROS DEL DIFUSOR EN BioWin 3.1

PARÁMETROS DE AERACIÓN EN BioWin 3.1

AERACIÓN SUPERFICIAL EN BioWin 3.1

Calibración de un modelo

CALIBRACIÓN / VALIDACIÓN DEL MODELO

CALIBRACIÓN DE UN MODELO • Simulación del comportamiento de un proceso(o de la

totalidad de la planta) a un nivel de precisión suficiente para poder aplicar posteriormente el modelo con un grado de confianza adecuado

• El modelo calibrado se valida posteriormente en condiciones distintas hasta verificar la precisión de la calibración

OBJETIVOS DE LA CALIBRACIÓN

– Hacer coincidir los resultados del modelo suficientemente bien con el mayor número de parámetros (NO perfectamente bien con uno en particular)

– Conocer el campo de validez del modelo

– Tener una estimación del grado de precisión esperable

ESCENARIOS/METODOLOGÍA DE UTILIZACIÓN

PROYECTO EDAR NUEVA (Utilización directa del modelo) • Datos de diseño de Pliego de Bases Normalmente valores

por defecto (ausencia de datos suficientes) • Campaña analítica Generación de datos

ANÁLISIS , EVALUACIÓN, AMPLIACIÓN DE PLANTAS EXISTENTES

(calibración del modelo) Campaña analítica Datos CALIBRACIÓN MODELO

EXPLOTACIÓ-OPTIMIZACIÓN DE PLANTAS (Calibración del modelo) Campaña analítica Datos CALIBRACIÓN MODELO

METODOLOGIA DE CALIBRACIÓN / VALIDACIÓN

PROTOCOLOS DE CALIBRACIÓN

– WERF (USA, Australia) – BioMath (Bélgica) – STOWA (Holanda) – HSG (Austria, Alemania) – IWA GPM(Good Modelling Practice)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

time (d)

NOx NH4

CALIBRACIÓN

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

time (d)

NOx NH4

VALIDACIÓN

APROXIMACIÓN PROGRESIVA A LA CALIBRACIÓN

• 4 NIVELES BÁSICOS DE CALIBRACIÓN utilizando los siguientes datos de los parámetros estequiométricos y cinéticos del agua de entrada):

1. Únicamente valores por defecto del modelo y supuestos Nivel Pimario 2. Solamente valores históricos Poco precisa

3. Campaña analítica, ensayos in situ Mejor

4. Medida directa de parámetros específicos (influente, cinéticos) Situación ideal

INFORMACIÓN BÁSICA NECESARIA

– Datos físicos de las instalaciones (dimensiones

aparatos ,configuración…) – Datos operacionales (TºC,SRT,caudales

recirculaciones,OD…) – Cargas afluentes (DQO,NTK,PT,caudales…) – Características del influente (fracciones ) – Características de los retornos – Parámetros estequiométricos y cinéticos

RESUMEN

• A la hora de calibrar un modelo hay que prestar atención a los siguientes aspectos : – Muestreo representativo – Analítica – Conocimiento de las condiciones operativas de la planta – Mediciones en planta – Variaciones diurnas – Entender el significado de los parámetros del modelo – ….. Y recordar que …..

“La simulación es una herramienta muy útil ….. Pero no sustituye a la experiencia y el arte de la ingeniería”.

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