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CAPITULO XII
XII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Anteriormente la planta sólo contaba con el proceso biológico de lodos
activados, el tren de tratamiento descrito con anterioridad lleva en funcionamiento
alrededor de 1 año, esta es la razón por la cual se han ido presentado diversas
variaciones en el estado y comportamiento de ambos reactores, UASB y lodos
activados. Es por esto que las primeras simulaciones realizadas son con el reactor de
lodos activados, además como lo explica la revisión bibliográfica, la base para la
utilización de modelos matemáticos es el modelo aerobio.
Las condiciones hidráulicas y de carga para las primeras simulaciones son:
Tabla 15. Condiciones del reactor aerobio Volumen del reactor 968 m3
Volumen del clarificador 415 m3
Flujo promedio 6 l/s - 515 m3/día Carga orgánica promedio de entrada 2000 mg DQO/L
Recirculación de lodos 129 m2/día Tiempo de residencia hidráulico (τ) 45 horas Carga orgánica promedio de salida 600 mg DQO/L
El tiempo de residencia es muy alto, el valor recomendado oscila entre 4-8 horas, por lo
cual pueden existir problemas en el desempeño de reactor. Para obtener el flujo de
recirculación se tomó la ecuación:
XXXQQ
rr −=
Donde:
Qr = Recirculación de lodos
Q = Flujo de entrada al clarificador
X = Sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado (SSVLM) en el reactor
Xr = Sólidos suspendidos en el retorno de lodos
El valor de operación aproximado para X es de 2,000 ppm de biomasa y el de Xr de
10,000 ppm de biomasa. Con estos datos, el valor que se obtuvo para el flujo de
recirculación de lodos es de 128.75 m3/día.
12.1 Simulaciones 1
El objetivo del primer grupo de simulaciones fue determinar la configuración de planta
de tratamiento a simular en el programa ASIM que sea capaz de reproducir el
comportamiento del reactor de lodos activados lo mejor posible para realizar su análisis.
Debido a la falta de datos de caracterización de la planta de tratamiento, el valor de
carga orgánica de 2,000 ppm se dividió en partes al 50% cada una, sustrato soluble y
sustrato en partícula, todo los demás valores se tomaron de los propuestos por el modelo
ASM No1. Todos los parámetros cinéticos y estequiométricos en su totalidad también
se supusieron de los datos presentados en el mismo modelo ASM No. 1. Los datos
estequiométricos y cinéticos utilizados, así como la matriz estequiométrica empleada
pueden ser consultados en el apéndice I.
Tabla 16. Datos de concentración para el reactor aerobio Alimentación Datos típicos
en el reactor Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L 2 2 Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L 25 25 Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L 1000 15 Nitrógeno amoniacal, mg N /L 20 1 Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L 0 5 Alcalinidad, unidades molares 1 0.5 Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L 5 4
Especies en partículas Materia orgánica en partículas inerte, mg/L 40 900 Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L 1000 30 Biomasa heterotrófica, mg DQO /L 25 1500 Biomasa autotrófica, mg DQO /L 0 100 Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L 200 2000 Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L 8 5
El valor de la señal de comando de oxígeno en el reactor aerobio fue de 2 mg O2/l y el
del coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa) de 0 s-1.
Las opciones se presentan en la siguiente tabla, la finalidad de encontrar la
configuración idónea radica en encontrar la forma de simular el reactor junto con su
clarificador secundario teniendo en cuenta la cama de lodos a recircular. Los resultados
se muestran en el apéndice II.
Tabla 17. Configuraciones probadas para la simulación de la planta aerobia %Volumen del
clarificador real
Reactor 1 Reactor 2 Recirculación de lodos
Clarificador secundario Reactor 1 Clarificador
1 No Si No No - - 2 No Si Si No - - 3 No Si Si Si - 100 4 Si Si Si Si 50 50 5 Si Si Si Si 20 80 6 Si Si Si Si 10 90 7 Si Si Si Si 15 85
La tabla presenta la secuencia de prueba de las configuraciones, en la primer opción
sólo se simuló un reactor aerobio, sin embargo no se sabe la cantidad de lodos en
exceso, la concentración de SSVLM. También existe la falta de esta información en las
opciones 2 y 3, a pesar de contemplar la número 3 un clarificador secundario. Estas
simulaciones se desecharon al no ser viables.
Figura 6. Configuración inicial para la planta aerobia
Para las siguientes simulaciones se incorporó un reactor, esta opción permitió emular
la parte inferior del clarificador, en donde se encuentran la biomasa sedimentada. Para
esta nueva configuración, el reactor número 1 recibe solamente la recirculación de
lodos proveniente del clarificador, tiene especificado como 0 mg O2/l, el reactor 2 o
aerobio recibe el efluente principal y el flujo del primer reactor siendo éste
principalmente el retorno de lodos. Ver figura 7.
Figura 7. Configuración con 2 reactores para la planta aerobia
Como ya se mencionó el volumen del clarificador es de 415 m3, el reactor añadido y
el clarificador deben de sumar este volumen, debido a lo anterior se realizaron
simulaciones con diferentes porcentajes de volumen del reactor 1 y clarificador como
se observa en la tabla. El porcentaje de lodos en el clarificador secundario de la planta
no se tiene cuantificado, sin embargo visualmente es muy bajo, por lo que de las
simulaciones realizadas se observó que en el valor más bajo del porcentaje de
volumen del reactor 1, se presentan ciertos inconsistencias en los resultados,
atribuidos a la capacidad de convergencia del programa. Por lo que se tomo como
porcentaje de volumen la relación 15% - 85% de reactor 1 y clarificador
respectivamente, ya que a éste no se presentan incongruencias de solución, quedando
los volúmenes a simular de la siguiente manera
• Volumen del reactor 1 63 m3
• Volumen del clarificador secundario 352 m3
Los resultados de eficiencia de remoción y de consumo de oxígeno de todas las
opciones se presenta en la tabla 18. Se observa que el porcentaje de remoción en todos
los casos es el mismo, sin embargo la importancia de observar la recirculación y
producción de lodos es de igual o mayor importancia que la calidad final del efluente.
Tabla 18. Resultados se simulaciones 1
Opciones SS efluente mg DQO /L
XS efluente mg DQO /L
Consumo de oxígeno
g/día % Remoción
1 17.04 19.95 1045.88 98.15 % 2 9.135 24.26 14.15 98.33 % 3 9.50 24.26 14.15 98.31 4 14.80 26.91 1259.11 97.91 5 12.49 26.56 1306.84 98.05 6 11.201 25.73 14.17 98.15 7 11.93 26.241 1313.281 98.09
12.2 Simulaciones 2
El objetivo de este paquete de simulaciones fue observar el tiempo necesario para
alcanzar el estado estable en las simulaciones. Los datos de entrada para la simulación
se presentan en la siguiente tabla y los parámetros estequiométricos y cinéticos son los
mismos que en el grupo anterior.
Tabla 19. Datos de concentración para el reactor aerobio en simulaciones 2 Alimentación Datos típicos
en el reactor Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L 0 2 Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L 0 25 Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L 1000 15 Nitrógeno amoniacal, mg N /L 36.6 1 Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L 0 5 Alcalinidad, unidades molares 4 0.5
Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L 36.6 4 Especies en partículas
Materia orgánica en partículas inerte, mg/L 0 900 Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L 1000 30 Biomasa heterotrófica, mg DQO /L 0 1500 Biomasa autotrófica, mg DQO /L 0 100 Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L 0 2000 Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L 0 5
Las simulaciones se llevaron a cabo a 1, 2, 3, 4, 6, 10 y 20 días. De los resultados se
observó la evolución de sustrato soluble rápidamente biodegradable en los dos
reactores y en el clarificador así como el sustrato lentamente biodegradable. Los
resultados de estas simulaciones se presentan en el apéndice III.
Figura 8. Remoción de sustrato soluble a través del tiempo para alcanzar estado estable
REMOCIÓN DE SUSTRATO SOLUBLE
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20
Tiempo d
mg
DQ
O/L
Sustrato enreactor 1Sustrato enreactor2Sustrato enclarificador
Figura 9. Remoción de sustrato en partícula a través del tiempo para alcanzar estado estable
REMOCIÓN DE SUSTRATO PARTICULADO
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
0 5 10 15 20
Tiempo (d)
Su
stra
to p
atic
ula
do
R1
(m
g D
QO
/l)
0
20
40
60
80
100
120
Su
stra
to p
atic
ula
do
R2
(m
g D
QO
/l)
Sustrato en reactor1
Sustrato en reactor2
De los gráficos anteriores se observa que el sistema llega en los primeros días a un
estado estable, para SS aproximadamente a los 4 días de operación, mientras que para
XS es cerca de día 10 iniciado el proceso en el reactor 1, mientras que para el reactor 2
es al día 20. Con base en lo anterior de decidió que las simulaciones, tanto puntuales
como dinámicas que se realicen serán a 20 días de operación como mínimo.
12.3 Simulaciones 3
Esta serie de simulaciones es la más importante, ya que es en sí la sintonización del
modelo con la planta. En éstas se exploraron los efectos de los parámetros
estequiométricos y cinéticos, ya que debido a la falta de datos experimentales no es
posible su obtención directa. Se buscó obtener los valores de salida actuales de la
planta correspondientes al sustrato, tanto el soluble (SS) como el sustrato en partículas
(XS) y a los sólidos suspendidos totales (SST) en el que se incluyen la biomasa
heterótrofa (XB,H), la biomasa autótrofa (XB,A), la materia orgánica en partículas (XP)
y el nitrógeno orgánico (XND). Los resultados de las simulaciones 3, se encuentran en
el apéndice IV.
La configuración de la planta fue la elegida en la serie 1 y la integración del proceso
se realizó a los 20 días.
12.3.1 Sustrato soluble rápidamente biodegradable. Es uno de los valores mas
importantes, ya que denota la cantidad de materia orgánica presente en el agua,
comúnmente junto con el sustrato lentamente biodegradable se denomina la cantidad
de contaminación en el agua residual.
La concentración de sustrato rápidamente biodegradable se ve reducida por el
crecimiento de bacterias heterotróficas, tanto en condiciones aerobias como anóxicas
y aumenta por la hidrólisis del sustrato lentamente biodegradable, como se describe en
la ecuación diferencial de conversión (Jeppson, 1996).
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+++⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+Υ
−=
∧
NONO
NO
OHO
HOg
OHO
O
SS
S
H
HS
SKS
SKK
SKS
SKS
dtdS
,
,
,η
µ
HBNONO
NO
OHO
HOh
OHO
O
HBS
X
HBS
h XSK
SSK
KSK
S
XXK
XX
k ,,
,
,,
,
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+++⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+++ η
Los parámetros que intervienen en la conversión de SS son µH, YH, KS, ηg, KO,H, KNO,
kh, KX y ηh. La tasa de producción de biomasa (YH) es el único parámetro
estequiométrico involucrado y de acuerdo con la literatura existe un intervalo de
valores reportado, por lo que puede ser modificado; de los parámetros cinéticos la tasa
máxima específica de crecimiento para bacterias heterótrofas µH y la constante de
velocidad media para las bacterias heterótrofas KS, también pueden ser ajustados,
mientras los valores de ηg, KO,H y KNO se reporta que su valor puede ser tomado del
modelo ASM1 y los datos de kh, KX y ηh presentan un único valor reportado.
Los intervalos tomados de la literatura para los de los parámetros que pueden ser
modificados se muestran en la tabla 20.
Tabla 20. Parámetros que influyen en SS Valores
iniciales Intervalos reportados
KS (mg/L) 20 10 180 YH (g biomasa DQO/g 0.67 0.46 0.69
biomasa usada) µH (d-1) 6 3 13.2
Para cada parámetro se realizaron diversas simulaciones para observar su impacto
sobre SS.
12.3.1.1 Constante de velocidad media para las bacterias heterótrofas, KS
Como se observa en la tabla este valor tiene un rango amplio de valores. Se simuló la
planta con los valores de KS inicial reportado en el modelo, el valor máximo y el valor
mínimo. De los resultados obtenidos se analizaron los valores de SS y XS, la suma de
éstos y el valor de SST, se presenta los datos en la siguiente tabla.
Tabla 21. Resultados de la sintonización del parámetro KS
KS (mg/L) SS (ppm) XS (ppm) Sustrato total (ppm) SST (ppm)
10 2.00 25.96 27.96 1948.36 20 4.00 25.90 29.90 1946.52 180 35.87 25.70 61.57 1917.41
Se observa que a medida que se va aumentando KS hay un aumento en el sustrato
rápidamente biodegradable, cabe recordar que las condiciones de la planta son
alrededor de 600 ppm siendo la suma de ambos sustratos correspondientes al efluente;
el sustrato lentamente biodegradable así como los SST no presentan un efecto
considerable al cambio de KS. Observados los resultados, se tomó el valor de KS =
180 mg/L para las próximas simulaciones.
Figura 10. Sintonización del parámetro KS, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 50 100 150 200
KS mg/L
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable Sustratolentamentebiodegradable
Figura 11. Sintonización del parámetro KS, SST SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
KS mg/L
mg
DQ
O/L
Sólidossuspendidostotales
12.3.1.2 Tasa de producción de biomasa, YH
El siguiente valor a encontrar es el único parámetro estequiométrico. De la misma
manera que el valor anterior, se realizaron simulaciones con los valores de YH default,
el valor máximo y el valor mínimo. De los resultados obtenidos se consideraron los
valores de SS y XS, la suma de ellos y el valor de los SST.
Tabla 22. Resultados de la sintonización del parámetro YHYH (g biomasa
DQO/g biomasa usada)
SS (ppm) XS (ppm) Sustrato total (ppm) SST (ppm)
0.46 34.29 21.23 55.52 1076.95 0.67 35.86 25.70 61.57 1917.41 0.69 36.17 26.52 62.70 2024.20
A medida que YH aumenta, existe un aumento tanto de SS como XS, sin embargo es
casi inapreciable, sin embargo si existe un aumento considerable del valor de SST, ya
que aumenta alrededor de 1000 ppm del valor minino al máximo. Lo anterior se
observa en las siguientes gráficas.
Figura 12. Sintonización del parámetro YH, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO YH
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.4 0.5 0.6 0.7
YH g biomasa DQO/g biomasa usada
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable Sustratolentamentebiodegradable
Figura 13. Sintonización del parámetro YH, SST SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO YH
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
0.4 0.5 0.6 0.7
YH g biomasa DQO/g biomasa usada
mg
DQ
O/L
Sólidossuspendidostotales
Para las siguientes simulaciones se tomará el valor máximo de YH = 0.69 g biomasa
DQO/g biomasa usada y se seguirá con el valor máximo de KS.
12.3.1.3 Tasa máxima específica de crecimiento para bacterias heterótrofas, µH
Finamente para el valor de SS tenemos el parámetro cinético de µH. Como en los casos
anteriores se simuló en los valores extremos reportados, en la tabla siguiente se
muestran los datos bibliográficos así como el análisis de los valores de SS y XS, la
suma de ellos y el valor de los SST.
Tabla 23. Resultados de la sintonización del parámetro µH
µH (d-1) SS (ppm) XS (ppm) Sustrato total (ppm) SST (ppm)
3 89.88 26.08 115.97 1971.58 6 36.17 26.52 62.69 2024.20
13.2 14.85 26.69 41.54 2044.00
Para SS, existe un aumento al ir disminuyendo el valor de µH, sin embargo para XS y
SST, no existe una relación con µH, ya que no presentan cambios significativos, como
se observa en las gráficas siguientes.
Figura 14. Sintonización del parámetro µH, SS y XS
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO µH
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 3 6 9 12
µH d-1
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable Sustratolentamentebi d d bl
Figura 15. Sintonización del parámetro µH, SST SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO µH
0
500
1000
1500
2000
2500
0 3 6 9 12
µH d-1
mg
DQ
O/L
Sólidossuspendidostotales
De acuerdo con los resultados, la mejor sintonización para el valor de SS variando
parámetros cinéticos y estequiométricos es con los siguientes parámetros.
Tabla 24. Datos sintonizados para los parámetros explorados
KS 180 mg/L YH 0.69 g biomasa DQO/g
biomasa usada
µH 3 d-1
12.3.2 Sustrato en partícula lentamente biodegradable, XS. Junto con SS denotan
la “contaminación” existente en el agua residual, por lo tanto también es necesario
observar los parámetros que afectan este valor.
La concentración del sustrato lentamente biodegradable, Xs aumenta debido al
reciclaje de las bacterias muertas de acuerdo con la hipótesis de la muerte-generación
y disminuye por el proceso de hidrólisis, como se describe en la ecuación diferencial
de conversión.
( )( ) HBNONO
NO
OHO
HOh
OHO
O
HBS
X
HBS
hABAHBHpS X
SKS
SKK
SKS
XXK
XX
kXbXbfdt
dX,
,
,
,,
,,,1
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+++
++−−−= η
Los parámetros que afectan la concentración del sustrato lentamente biodegradable
(Xs) son fp, bH, bA, kh, KX, KO,H y KNO. Sin embargo de acuerdo con la literatura los
valores de que pueden permanecer fijos debido a su invariabilidad o su único valor
son todos con excepción de la tasa de descomposición-lisis para bacterias
heterotróficas bH, por lo que será el único parámetro a estudiar. La tabla siguiente
muestra el valor default de modelo así como los datos extremos reportados.
Tabla 25. Datos extremos y default del parámetro bH
0.069 d-1
0.62 d-1
4.38 d-1
Simulados los tres valores se observó que el valor XS no seguía una tendencia
determinada, razón por la cual se realizó la simulación de cierta cantidad de valores
intermedios.
Tabla 26. Valores del parámetro bH simulados
bH (d-1) SS (ppm) XS (ppm) Sustrato total (ppm) SST(ppm)
0.09 141.98 9.95 151.94 2954.74 0.20 102.16 13.85 116.01 2657.54 0.25 123.51 15.36 138.87 2502.60 0.30 148.21 16.77 164.99 2362.55
0.35 90.48 18.49 108.97 2336.44 0.50 72.76 22.74 95.50 2126.16 0.55 79.63 24.11 103.74 2057.76 0.62 89.88 26.09 115.97 1971.58 0.70 102.53 28.46 130.99 1884.25 1.00 161.43 39.59 201.03 1626.24 1.25 231.05 54.79 285.84 1455.45 1.50 334.51 87.68 422.19 1290.52 1.62 404.79 126.55 531.34 1200.55 1.65 425.37 143.21 568.57 1175.06 1.70 462.86 184.89 647.75 1127.49 1.75 507.70 272.52 780.21 1072.75 2.00 1000.06 2478.95 3479.01 107.53 4.38 999.98 2555.60 3555.58 95.60
Como se puede observar, este parámetro influye tanto en la degradación de materia
orgánica como en la formación de biomasa heterotrófica. Cuando la tasa de
descomposición – lisis de bacterias heterotróficas aumenta hay una reducción en la
cantidad de ellas y consecuentemente un reducción de los SST; debido a esta
descomposición de la biomasa heterotrófica aumenta la fracción de sustrato en
partículas. A lo que se refiere al sustrato soluble rápidamente biodegradable, presenta
una variación sin tendencia desde 0.09 a 1.00 con diversos picos, y a partir de
entonces sigue una tendencia ascendente, que puede ser atribuida a la elevada muerte
de biomasa heterotrófica la cual no degradará el sustrato y a los productos de
hidrólisis del sustrato en partículas proveniente de esta descomposición. Es también
resultado del valor asignado al parámetro de crecimiento de la biomasa que es 1.00 d-
1, que cumple el balance de generación de biomasa.
Se cree que el problema radica en el volumen del reactor aerobio es excesivamente
grande lo que hace que haya un elevado tiempo de residencia (τ). Debido a este
elevado tiempo de residencia se da un aumento en el coeficiente de descomposición -
lisis para bacterias heterotróficas (bH) las cuales pasaran a formar parte del sustrato en
partículas y este por hidrólisis a sustrato soluble, provocando un aumento de sustrato
en la salida del reactor sin haber obtenido el valor deseado de biomasa heterotrófica
en el reactor aerobio.
De estas simulaciones se deduce que la mejor opción para sintonizar la planta es
tomar un valor de bH de 1.70 d-1, ya que de esta manera se obtiene un valor
aproximado de 600 ppm de sustrato total, valor promedio de salida de la planta
aerobia.
Con base en lo anterior, se cree que para poder corregir el problema de la lisis, se
podría disminuir el número de los aireadores del reactor aerobio, se tienen 3
funcionando, para suministrar menos cantidad de oxígeno y disminuir la etapa
endógena de estos microorganismos y así no se daría la posibilidad de que hubiera
tanta lisis de la biomasa heterotrófica, porque como se ha visto aumenta
consecuentemente la cantidad de sustrato soluble.
Para confirmar lo anterior se realizó el cálculo de la cantidad de oxigeno requerido
para la misma planta de tratamiento basado en las ecuaciones de diseño de Ramalho.
En este algoritmo tenemos que el volumen necesario para realizar la depuración de la
materia orgánica de aproximadamente 2000 mg DQO/L hasta aproximadamente 180
mg DQO/L, es cercano a 700 m3 y una cantidad de oxígeno del orden de 35 kg/h. De
acuerdo con los datos obtenidos de la simulación con un valor de bH=1.70 d-1 se
requeriría cerca de 612 kg de O2/día ó 25.5 kg de O2/h.
Finalmente de acuerdo con los datos proporcionados por la empresa, se cuenta con 3
aireadores, cada uno con la capacidad de suministrar 1800 lb O2/d, con lo cual por las
3 unidades tendríamos un aporte de O2 de 102 kg de O2/día. Como se puede observar
se esta suministrando una cantidad excesiva de oxígeno, fomentando el proceso de
lisis en un reactor de volumen elevado.
12.4 Simulaciones 4
Como se mencionó con anterioridad el reactor anaerobio lleva poco tiempo en
operación, lo cual ha provocado ciertos cambios en el tren de tratamiento, las últimas
simulaciones contemplaron la sintonización del reactor anaerobio y aerobio con las
nuevas condiciones del tren de tratamiento y las nuevas condiciones de la planta. Las
simulaciones se presentan en el apéndice V.
Tabla 27. Condiciones actuales del tren de tratamiento de la empresa Anaerobio Aerobio Volumen del reactor 730 m3 968 m3
Volumen del clarificador - 415 m3
Flujo promedio 1209 m3/d 1209 m3/d Retorno de lodos - 213 m3/d Edad de lodos - 9.0 días Aireadores funcionando - 2 unidades Carga orgánica promedio de entrada 4000 mg DQO/L 1000 mg DQO/L Carga orgánica promedio de salida 1000 mg DQO/L 400 mg DQO/L Tiempo de residencia hidráulico (τ) 14. 48 horas 19.44 horas
12.4.1 Sintonización del reactor anaerobio
Como primer criterio se determinó que la relación de Sb y Xb del total de materia
orgánica sería del 90 % - 10 % respectivamente, por lo que los datos de entrada para
el simulador serían 3600 ppm.
Tabla 28. Datos de entrada al proceso anaerobio Sb 3600 mg DQO/L Xb 400 mg DQO/L
Debido a la experiencia con las simulaciones anteriores y con lo reportado en el
artículo de Etmitwalli, el reactor se deberá modelar considerándose un reactor CSTR
(completely stirred tank reactor) por lo que la concentración de biomasa Xm deberá de
considerarse siempre presente en el efluente, el valor se considera alto por lo que se
escogió 25,000 mg /l para éste. De la misma manera las simulaciones llevadas a cabo
fueron dinámicas, para observar el tiempo necesario para llegar a un estado estable.
La configuración de la planta anaerobia fue siempre la misma, la cual se presenta en
la figura 16.
Figura 16. Configuración para la planta anaerobia
Para poder emular un reactor anaerobio la cantidad de oxígeno y el valor de KLa deben
de ser 0.
Los parámetros que intervienen en el modelo son Ym, Khyd, Km, KS y Kd, de los cuales
Ym y Kd permanecen constantes, por lo que los demás son viables para poder
sintonizar la planta. Los valores iniciales de los parámetros son:
Tabla 29. Datos iniciales de los parámetros del ADM No. 1
Ym 0.1 mg DQO S/mg DQO X d Khyd 0.04 d-1
Km 1.25 mg DQO S/mg DQO X d KS 200 mg DQO/L Kd 0.02 mg DQO S/mg DQO X d
12.4.1.1 Constante cinética de hidrólisis Khyd.
Los datos evaluados reportados en la literatura para este valor se simularon
observando su impacto en los valores de SB, XB y SCH4.
Tabla 30. Resultados de la sintonización del parámetro Κhyd
Khyd (d-1)
Metano SCH4 (mg DQO/L)
Sustrato Sb (mg
DQO/L)
Sustrato Xb (mg DQO/L)
Sustrato total SST (mg DQO/L)
Biomasa Xm (mg DQO/L)
0.04 3215.617 44.375 697.273 741.648 25000 0.15 3249.874 47.199 644.246 691.445 25100 0.30 3293.638 47.975 594.9 642.875 25100
El parámetro no afecta a la producción metano ni al sustrato rápidamente
biodegradable sin embargo si influye en el sustrato lentamente biodegradable, al
aumentar el parámetro el Xb disminuye considerablemente. La biomasa permanece
casi constante al cambiar Khyd. Con base en los datos se tomará el valor de 0.30 d-1
para las siguientes simulaciones.
Figura 17. Sintonización del parámetro Khyd, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO Khyd
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0.00 0.10 0.20 0.30
Khyd d-1
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable
Sustratolentamentebiodegradable
12.4.1.2 Concentración media de saturación, KS
De la misma manera que el parámetro anterior se evaluaron los datos reportados y se
observaron los mismos resultados.
Tabla 31. Resultados de la sintonización del parámetro Κs
Ks (mg DQO/L)
Metano SCH4 (mg DQO/L)
Sustrato Sb (mg
DQO/L)
Sustrato Xb (mg DQO/L)
Sustrato total SST (mg DQO/L)
Biomasa Xm (mg DQO/L)
200 3293.6 47.975 594.9 642.875 25100 400 3260.6 90.25 601.469 691.719 25000
600 3211.2 139.549 594.808 734.357 25100
En la tabla anterior y en la gráfica siguiente se aprecia que el parámetro no tiene
influencie en los valores Xm, SCH4 y Sb, sin embargo al aumentar su valor si se
presenta un aumento la concentración de Sb por lo que se designará el valor mayor
como la opción viable para las siguientes simulaciones, siendo KS= 600 mg DQO/L.
Figura 18. Sintonización del parámetro Ks, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO KS
0
100
200
300
400
500
600
700
800
150 350 550
KS mg DQO/L
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable
Sustratolentamentebiodegradable
12.4.1.3 Tasa máxima de consumo de Monod, Km
Es el último parámetro posible de observar si impacto en el proceso. Los datos
variados y los resultados para este valor son:
Tabla 32. Resultados de la sintonización del parámetro ΚmKm (mg
DQO S/mg DQO X d)
Metano SCH4 (mg DQO/L)
Sustrato Sb (mg
DQO/L)
Sustrato Xb (mg DQO/L)
Sustrato total SST (mg DQO/L)
Biomasa Xm (mg DQO/L)
1.25 3211.2 139.549 594.808 734.357 25100 0.667 3061.6 305.721 594.64 900.361 25000 0.3333 2604.7 813.378 594.127 1407.505 25100
El valor que mejor representa la planta es el de Km= 0.667 mg DQO S/mg DQO X d.
Este valor esta altamente relacionado con la adicción de vitaminas para la floculación
del lodo, mientras exista una buena dotación de vitaminas para los lodos, el valor de
Km aumentará y por lo tanto existirá una mejor degradación de la materia orgánica y
por ende una mayor producción de metano.
Figura 19. Sintonización del parámetro Km, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DEL PARAMETRO Km
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 0.4 0.8 1.2
Km mg DQO_S d/mg DQO_X
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable
Sustratolentamentebiodegradable
Es importante señalar que el valor de entrada para el XB es de 400 ppm, mientras que
su salida aumenta a un valor aproximado de 600 ppm, por lo que podemos afirmar
que el modelo anaerobio no contempla la remoción de este material, sin embargo se
presenta un aumento debido a la muerte de biomasa, la cual debe de ser muy baja.
Finalmente se varió la cantidad de biomasa activa Xm en el reactor para observar cual
es su efecto sobre el proceso.
Tabla 33. Resultados de la sintonización del componente Xm
Biomasa Xm (mg DQO/L)
Metano SCH4 (mg DQO/L)
Sustrato Sb (mg
DQO/L)
Sustrato Xb (mg DQO/L)
Sustrato total SST (mg DQO/L)
25000 3061.6 305.721 594.64 900.361 20000 2958.5 411.103 544.014 955.117 15000 2768.7 612.871 493.291 1106.162
Figura 20. Sintonización del componente Xm, Sb y Xb
SINTONIZACIÓN DE BIOMASA ACTIVA
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
14000 19000 24000
Xm mg DQO/L
mg
DQ
O/L
Sustratorápidamentebiodegradable
Sustratolentamentebiodegradable
Figura 21. Sintonización del componente Xm, SCH4
SINTONIZACIÓN DE BIOMASA ACTIVA
2000
2500
3000
3500
4000
14000 19000 24000
Xm mg DQO/L
mg
DQ
O/L
Metano
Como se esperaba, mientras exista una mayor cantidad de biomasa activa en el reactor
existirá una mayor degradación y una mayor producción de metano en el proceso,
cabe señalar que la biomasa activa afecta de manera diferente a los dos sustratos, al
aumentar el valor de Xm, Sb disminuye mientas que Xb aumenta. Para las condiciones
actuales de la planta se consideró que la cantidad de 20,000 mg DQO /L de biomasa
activa emula la planta de manera cercana. Los datos encontrados para la sintonización
del modelo son:
Tabla 34. Datos encontrados en la sintonización del modelo anaerobio
Khyd (d-1) Ks (mg DQO/L) Km (mg DQO S/mg DQO X d)
Biomasa Xm (mg DQO/L)
0.30 600 0.667 20000
Para la simulación seleccionada para la sintonización del sistema tenemos una
conversión de metano de 2958.5 mg DQO / L. Tomando el caudal de la planta, así
como la conversión reportada por Metcalf & Hedí (0.40 L CH4/ g DQO) y con el dato
de la densidad del metano a 20 ºC (0.6781087 g /L) se obtiene la potencia capaz de
entregar la producción de metano siendo 754 caballos de fuerza.
12.4.2 Sintonización del reactor aerobio
Con los datos obtenidos de la simulación anaerobia, se introdujeron los datos de
sustrato en el modelo aerobio calibrado con anterioridad. Los nuevos datos de entrada
son:
Tabla 35. Datos de concentración finales para el reactor aerobio Alimentación Datos típicos
en el reactor Especies disueltas
Oxígeno disuelto, mg O2 (DQO)/L 0 2 Materia orgánica soluble inerte, mg DQO/L 0 0 Sustrato rápidamente biodegradable, mg DQO /L 411.103 200 Nitrógeno amoniacal, mg N /L 17.47 1 Nitrógeno en forma de nitrato, mg N /L 0 5 Alcalinidad, unidades molares 4 0.5 Nitrógeno orgánico soluble biodegradable, mg N /L 17.47 4
Especies en partículas Materia orgánica en partículas inerte, mg/L 0 0 Sustrato lentamente biodegradable, mg DQO /L 544.014 200 Biomasa heterotrófica, mg DQO /L 0 2000 Biomasa autotrófica, mg DQO /L 0 100 Restos de muerte y lisis de la biomasa, mg DQO /L 0 1000 Nitrógeno orgánico en partículas biodegradable, mg N/L 0 5
La primera simulación con los nuevos datos de entrada utilizó todos los parámetros
tanto estequiométricos como cinéticos encontrados en las primeras simulaciones
presentadas. Los datos de la simulación muestran que existe una gran cantidad de
sustrato total, esto se atribuye al valor elevado bH obtenido con anterioridad, pero con
las nuevas condiciones de concentración y la reducción del suministro de oxígeno al
reactor, se concluye que el valor de bH es menor al propuesto. Basados en esto, se
realizaron nuevas simulaciones para sintonizar nuevamente el valor de bH, los datos
exploraros así como los resultados más significativos se presentan en la siguiente
tabla y se reportan en el apéndice VI.
Tabla 36. Valores del parámetro bH simulados
bH (d-1) SS (ppm) XS (ppm) Sustrato total (ppm) SST(ppm)
1.7 377.395 1041.946 1419.341 1056.051 1.5 371.914 719.257 1091.171 1151.537 1.3 291.425 130.418 421.843 1535.726 1.2 236.894 87.497 324.391 1751.3
De las opciones presentadas, el mejor valor que emula el nuevo desempeño del
reactor aerobio es el valor de bH= 1.2 d-1.
Como se observa con sólo esta modificación se obtuvo la sintonización del reactor
aerobio, confirmando lo descrito en las primeras simulaciones aerobias, el exceso de
aireación provoca un valor elevado en el parámetro bH produciéndose la lisis de gran
parte del material celular.
