Modelado y simulación de sistemas de depuración biológica de aguas residuales urbanas mediante biorreactores de membrana (mbr)

Résumé

Desde su aparición en el mercado, los biorreactores de membrana sumergida (MBR) se han convertido en una de las tecnologías más prometedoras para el tratamiento de aguas residuales. Pese a que su empleo se ha visto limitado por el elevado consumo energético o por los problemas de ensuciamiento de la membrana, ventajas como la calidad del efluente obtenido, la posibilidad de trabajar a elevadas concentraciones de TSS y los menores requisitos tanto de tiempo como de espacio necesarios para que tenga lugar la depuración, la han convertido en una alternativa ampliamente utilizada en todo el mundo. El presente trabajo está enfocado al modelado y la simulación de sistemas MBR con el fin de analizar de manera teórica distintas alternativas o evaluar distintos escenarios y poder obtener información útil que ayude a tomar decisiones relativas al diseño y optimización de EDARs. De esta manera, aunque un modelo no deja de ser una simplificación de la realidad y puede dar lugar a determinadas imprecisiones, es posible ampliar el conocimiento sobre el funcionamiento del sistema y obtener conclusiones similares a las obtenidas experimentalmente. Hablar de sistemas MBR de depuración de aguas residuales es hablar principalmente de membranas planas de microfiltración (MF) o de membranas de fibra hueca de ultrafiltración (UF). Es por ello que la primera fase de este estudio se ha centrado en comparar dos sistemas MBR experimentales que utilizan estos dos tipos de membranas, comprobando que la tecnología de membrana y sus diferencias de configuración no afecta de manera significativa a la eficacia del proceso de depuración y/o al valor de los principales parámetros cinéticos y estequiométricos definidos en los modelos. Ambos sistemas están constituidos por un biorreactor anóxico para la pre-desnitrificación, un biorreactor aireado dónde tiene lugar la degradación de materia orgánica y la eliminación de amonio y un MBR en el que tiene lugar la separación física del fango activo y el efluente mediante membranas. Las instalaciones han trabajado en continuo y se han alimentado con agua residual urbana real tras un pre-tratamiento convencional. Por otro lado, para poder simular un determinado sistema experimental es necesario emplear un modelo que describa matemáticamente los principales procesos biológicos que tienen lugar en el sistema. Este modelo debe estar correctamente calibrado y validado para el sistema en cuestión con el fin de asegurar que los resultados obtenidos se aproximen lo máximo posible a la realidad. Generalmente, el proceso de calibración de un modelo de fangos activos requiere únicamente la estimación de unos pocos parámetros para conseguir predicciones adecuadas y puesto que la estimación analítica de estos parámetros en el laboratorio es costosa, se suelen calibrar únicamente aquellos parámetros que mayor influencia tienen sobre el funcionamiento del sistema y cuya selección suele estar basada en los resultados de un análisis de sensibilidad previo. En este caso, los valores de bH_O2, YH, µH,max y KS han sido estimados mediante respirometría puesto que, según los análisis de sensibilidad llevados a cabo, son los parámetros a los que las predicciones del modelo ASM3 son más sensibles. La calibración del modelo suele llevarse a cabo para cada sistema en particular, pero hay que tener en cuenta que suele ser válida en un determinado rango de condiciones, mientras que un mismo sistema trabajando a condiciones operacionales muy diferentes a aquellas para las que ha sido calibrado el modelo puede necesitar una nueva calibración. Es por ello que se hace preciso evaluar el efecto que cambios en las condiciones operacionales del sistema puede tener sobre los valores de los parámetros del modelo y determinar así el rango de validez de la calibración. Para ello se ensayaron experimentalmente distintos valores de tiempo de retención celular (SRT), tiempo de retención hidráulico (HRT) o altura de lámina de agua en el biorreactor aireado, a la vez que se controlaron los cambios en variables como la temperatura del fango activo y las variaciones en la carga orgánica del influente. En base a estas variables se distinguen un total de 39 fases en las que se determinaron los principales parámetros del modelo ASM3 y cuyos resultados fueron posteriormente comparados en función de las condiciones de operación de cada fase. Además del modelo previamente calibrado, para una correcta simulación de un sistema en particular es necesario disponer de información suficiente sobre las condiciones del sistema que se pretende simular (caudales, volúmenes, etc.) y de una correcta caracterización del influente que le llega al sistema. Una vez que se dispone de toda esta información es posible simular el funcionamiento del sistema en un software específico de simulación como WEST o en un software numérico como MATHEMATICA, que ha sido validado durante este trabajo como una herramienta rápida y fácil de usar en la que es posible implementar y ejecutar el modelo y que permite llevar a cabo tanto el análisis de distintos escenarios o alternativas de diseño como análisis de sensibilidad. Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis teórico de escenarios utilizando WEST tras implementar el modelo en dicho simulador y ejecutar simulaciones del sistema experimental de MF modificando el valor de diferentes variables operacionales. Los resultados de este análisis han demostrado la influencia que variables como el SRT, la temperatura, el caudal de recirculación o la carga orgánica tienen sobre la tasa de consumo de oxígeno (OUR), sobre las concentraciones de TSS y biomasa activa o sobre los procesos biológicos de degradación de materia orgánica y nitrificación/desnitrificación. Además, han puesto de manifiesto la importancia de llevar a cabo una correcta caracterización del influente, ya que los valores de algunas de sus concentraciones pueden afectar significativamente a los resultados de la simulación. En este sentido, a lo largo de esta tesis se han comparado diversas metodologías para caracterizar el influente, llegando a la conclusión de que se obtienen resultados que se asemejan más a la realidad cuando se utilizan métodos biológicos como la respirometría, mientras que los métodos físico-químicos sobreestiman las fracciones biodegradables y subestiman las fracciones inertes.