MANUAL DESASS 7.1.

1. Introduccin ....................................................................................................................................... 1 1.1. Caractersticas importantes ......................................................................................................... 2

1.2. Aplicaciones ................................................................................................................................ 3

2. Modelo biolgico ............................................................................................................................... 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 cinticos ..................................................................................................................... 14

2.4. Procesos gobernados por el equilibrio ...................................................................................... 26 2.5. Valores de los parmetros del modelo ...................................................................................... 28

3. Modelo matemtico de los procesos de sedimentacin ................................................................... 36 3.1. Modelo de flujo unidimensional ............................................................................................... 37

3.1.1. Velocidad de sedimentacin zonal ..................................................................................... 38

3.1.1.1. Sedimentabilidad de los fangos .................................................................................. 39 3.1.2. Expresin general de la velocidad de sedimentacin ........................................................ 41

3.1.2.1. Sedimentacin floculada ............................................................................................. 41

3.1.3. Efecto de las zonas de transicin y compresin del fango ................................................ 45 3.2. Implementacin del modelo ...................................................................................................... 47

3.2.1. Modelo biolgico del decantador ....................................................................................... 49 4. Programa Desass .............................................................................................................................. 50

4.1. Generalidades ............................................................................................................................ 50 4.2. Ventana principal ...................................................................................................................... 50

4.2.1. Barra de men .................................................................................................................... 52 4.2.2. Lnea de botones ................................................................................................................ 58

4.3. Modos de operacin de clculo ................................................................................................. 61 4.4. Caractersticas del agua residual influente ................................................................................ 62 4.5. Condiciones de vertido ............................................................................................................. 67 4.6. Presentacin de resultados ........................................................................................................ 68

4.6.1. Pantallas de resultados ....................................................................................................... 69 4.6.2. Representaciones grficas .................................................................................................. 70 4.6.3. Lneas de unin .................................................................................................................. 73

4.7. Validacin de elementos ........................................................................................................... 74

4.8. Resolucin por bucles ............................................................................................................... 75 4.9. Clculo de los distintos elementos de tratamiento .................................................................... 78

4.9.1. Decantador primario .......................................................................................................... 78 4.9.1.1. Optimizacin del diseo de esquemas para la produccin de cidos voltiles ........... 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. Depsito tampn .............................................................................................................. 103 4.9.9. Deshidratacin mecnica ................................................................................................. 104 4.9.10. Nudo ............................................................................................................................... 106 4.9.11. Soplante .......................................................................................................................... 106 4.9.12. Aadir 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 aireacin ........................................................................................... 129 4.11.1. Generalidades ................................................................................................................. 130

4.11.2. Sistema de control .......................................................................................................... 131

4.11.3. Aplicacin en DESASS ................................................................................................. 132

5. BIBLIOGRAFA ........................................................................................................................... 138

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1. INTRODUCCIN DESASS (DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems) es un simulador de estaciones

depuradoras configurado bajo Windows, diseado y optimizado para la investigacin de procesos de tratamiento de aguas residuales, la evaluacin de sistemas de tratamiento existentes, la operacin de entrenamiento de personal y para propsitos educativos, con un particular nfasis en la velocidad de clculo, presentacin grfica y fcil manejo.

El programa tiene implementado un algoritmo de modelacin matemtica que representa una ampliacin del modelo de eliminacin biolgica de nutrientes n 1 (Biological Nutrient Removal Model, No.1 ampliado, BNRM1 ampliado; Seco et al., 2004a) desarrollado por el grupo de investigacin CALAGUA. Este modelo considera los procesos incluidos en el modelo de fangos activados nmero 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 digestin anaerobia y las reacciones qumicas cido base para calcular el pH (Serralta et al.,2004). Asimismo, el programa tiene implementado un modelo de sedimentacin (Ribes et al.,2002) acoplado al modelo biolgico que permite simular los procesos biolgicos que tienen lugar en decantadores primarios, secundarios y espesadores. El modelo tambin incluye los procesos realizados por las bacterias sulfato reductoras, los procesos de precipitacin y redisolucin de distintos compuesto (Barat et al., 2004) y la separacin de los procesos de nitrificacin y desnitrificacin en dos etapas (Jimenez et al., 2010).

DESASS trabaja en un entorno intuitivo y permite evaluar una gran diversidad de sistemas de tratamiento, pudindose representar desde esquemas tan sencillos como un proceso de oxidacin total para la eliminacin de materia orgnica hasta esquemas de tratamiento mucho ms complejos diseados para la eliminacin biolgica de nitrgeno y fsforo en los que se incorporan los tratamientos de digestin de fangos.

Diseado para un rpido y fcil uso, el programa posee muchas herramientas que permiten la realizacin de anlisis de sensibilidad y la comparacin de mltiples condiciones de operacin. DESASS permite a Ingenieros y operadores experimentar en un amplio intervalo de condiciones de sistemas de fangos activados, controlar las consecuencias de la modificacin de las condiciones de operacin, as como realizar estudios de sensibilidad sobre el proceso.

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1.1. Caractersticas importantes

Las principales caractersticas de DESASS se enumeran a continuacin:

Permite disear, simular y optimizar estaciones de tratamiento en su globalidad, puesto que estn considerados la mayora de procesos fsicos qumicos y biolgicos que tienen lugar.

Simula una gran variedad de configuraciones de plantas permitiendo fijar los volmenes, dimensiones, caudales y concentraciones que van desde plantas de experimentacin (piloto), hasta plantas de gran tamao.

Calcula las dimensiones y el funcionamiento de la planta en condiciones estacionarias y permite la simulacin dinmica de variaciones de cargas (variacin de carga en el agua residual influente, modificaciones en los caudales de recirculacin y/o purga), as como la introduccin de condiciones iniciales en los reactores de fangos activados, en rgimen transitorio.

Consideracin simultnea de varios esquemas de tratamiento en serie o en paralelo, obtenindose una mayor flexibilizacin en las configuraciones de plantas.

DESASS es multiejecutable, es decir se puede ejecutar varias veces al mismo tiempo, permitiendo una rpida comparacin de las diferentes alternativas de operacin simuladas.

Permite representar grficamente tanto en rgimen estacionario como en rgimen transitorio,

la evolucin de las variables involucradas en los distintos procesos de tratamiento. Entre stas se incluyen las concentraciones en los diferentes elementos de tratamiento de los componentes considerados en el modelo incluyendo la variacin en funcin de la altura en los decantadores primarios, secundarios y espesadores.

Comparacin inmediata de resultados para condiciones de verano e invierno, en rgimen estacionario.

Rapidez en el clculo numrico, tanto para rgimen transitorio como estacionario.

Diseo de los sistemas de aireacin, mediante tres tipos de maquinarias (Difusores, Turbinas, Venturi radiales).

Incluye un mdulo para la actualizacin de la base de datos de los sistemas de aireacin.

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Contiene un mdulo de control de las concentraciones de oxgeno disuelto en reactores de fangos activados y digestores aerobios basado en lgica difusa.

Permite exportar los resultados mostrados en las pantallas de resultados a un archivo Excel.

1.2. Aplicaciones

DESASS est siendo utilizado con xito en diferentes aplicaciones relacionadas con el tratamiento de aguas residuales. A continuacin se describen algunas de estas aplicaciones:

Diseo de nuevas plantas de tratamiento: DESASS puede utilizarse para el diseo de estaciones depuradoras que incluyan sistemas de fangos activados con eliminacin biolgica de nutrientes, digestin aerobia o anaerobia de fangos, precipitacin qumica de fsforo Adems pueden estudiarse diversos modos de operacin en funcin del caudal, la poca del ao (Seco et al., 2004b).

Mejora y optimizacin de plantas de tratamiento existentes: Para la optimizacin de las EDAR existentes se debe realizar una calibracin previa de los parmetros del modelo para conseguir que las simulaciones se ajusten ms a la realidad. La calibracin 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 histricos de la planta. Tras la calibracin de los distintos grupos de bacterias presentes en el sistema, es posible detectar funcionamientos alejados del ptimo y proponer mejoras en la operacin de la planta (Ferrer et al., 2004)

Enseanza y entrenamiento de personal: Este programa es muy til para visualizar el funcionamiento completo de una estacin depuradora teniendo en cuenta las interacciones en la corriente principal de las recirculaciones a cabeza de planta. Adems los operadores de planta pueden simular diferentes alternativas de operacin y acciones de control ante cambios en el caudal o la composicin del agua de entrada.

Ensayo de nuevos esquemas de tratamiento por simulacin: La simulacin de los procesos biolgicos para todas las condiciones ambientales (aerobias, anxicas y anaerobias) unido a la posibilidad de combinar de forma libre reactores de tanque agitado con digestores anaerobios y unidades de sedimentacin permite la utilizacin de DESASS para el ensayo de nuevos esquemas de tratamiento. Esta aplicacin es especialmente til para la eliminacin de materia orgnica y nutrientes en las aguas residuales industriales.

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Docencia: Este programa se est 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 BIOLGICO DESASS tiene implementado el modelo de eliminacin biolgica de nutrientes n 1

(Biological Nutrient Renoval Model, No.1, BNRM1; Seco et al., 2004). La filosofa con la que se ha desarrollado este modelo consiste en la utilizacin de un nico modelo para representar los procesos fsicos, qumicos y biolgicos ms importantes que tienen lugar en las estaciones depuradoras. Por lo tanto, el modelo BNRM1 ampliado puede utilizarse para disear y simular todas las operaciones bsicas 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 fsicos, qumicos y biolgicos ms importantes que tienen lugar en una EDAR. Los procesos fsicos considerados son: procesos de sedimentacin y clarificacin (sedimentacin floculada, zonal y compresin), elutriacin de los cidos grasos voltiles y procesos de transferencia de materia entre las fases lquida y gaseosa. Los procesos qumicos considerados comprenden las principales reacciones cido base, asumiendo condiciones de equilibrio qumico local e instantneo para estos procesos, los procesos de precipitacin y redisolucin y los procesos de in comn. Los procesos biolgicos considerados son: eliminacin biolgica de materia orgnica, nitrgeno y fsforo, acidognesis, acetognesis, metanognesis y sulfatoreduccin.

El modelo BNRM1 ampliado puede ser utilizado para el diseo, la simulacin y la optimizacin de estaciones depuradoras que incluyan decantadores primarios, sistemas de fangos activados para la eliminacin de materia orgnica nitrgeno y fsforo (incluyendo los procesos de desnitrificacin en los decantadores secundarios), reactores biolgicos de membranas aerobios o anaerobios, espesadores de gravedad, digestores de fango (aerobios y anaerobios), sistemas de generacin de cidos grasos voltiles por fermentacin/elutriacin de fango primario (fermentacin en el decantador primario, en el fermentador o en el espesador y elutriacin en el decantador primario o espesador). El efecto de la recirculacin a cabeza de planta del sobrenadante de la digestin aerobia o anaerobia puede ser tenido en cuenta simulando el proceso de deshidratacin del fango mediante un simple balance de materia. Para conseguir un diseo realista y fiable de una estacin depuradora es necesario tener en cuenta la carga de nitrgeno y fsforo recirculada a travs del sobrenadante de la deshidratacin.

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Los procesos incluidos en el modelo para la eliminacin de materia orgnica, nitrgeno y fsforo se basan en los procesos considerados en el modelo de fangos activados n 2d (Activated Sludge Model No.2d, ASM2d; Henze et al., 1999) con algunas modificaciones:

El proceso de fermentacin llevado a cabo por las bacterias hetertrofas ya no se considera porque las bacterias acidognicas estn incluidas en el modelo. Este proceso no estaba bien caracterizado en el ASM2d porque se asuma que lo llevaban a cabo las mismas bacterias hetertrofas responsables de la degradacin de la materia orgnica en condiciones aerobias y anxicas no estaba ligado a ningn proceso de crecimiento. Con la aproximacin realizada en el modelo ASM2d, la velocidad del proceso de fermentacin depende en gran medida de la concentracin de bacterias hetertrofas y los valores descritos en la literatura para la velocidad especfica de fermentacin (qfe) presentan una gran variabilidad (Satoh et al., 2000). Dicha variabilidad puede evitarse separando las bacterias hetertrofas 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 qumico capaz de calcular el pH en los procesos biolgicos (Serralta et al., 2004). Este modelo qumico supone la adicin de dos nuevos componentes, carbono inorgnico y protn.

Las funciones switch que modifican la velocidad de los procesos biolgicos en funcin 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 eliminacin biolgica de nitrgeno se ven complementados con la separacin en dos etapas del proceso de nitrificacin (considerando dos grupos de bacterias nitrificantes: bacterias amoniooxidantes y bacterias nitritooxidantes), la inclusin del nitrito en los procesos de desnitrificacin y la inclusin en el modelo de las bacterias ANAMMOX.

Los procesos incluidos en el modelo BNRM1 ampliado para representar el proceso de digestin anaerobia estn basados en un modelo simplificado de dicho proceso de digestin. Los grupos de bacterias considerados en el modelo son: bacterias acidognicas (responsables de los procesos de hidrlisis anaerobia de la materia orgnica lentamente biodegradable y fermentacin de la materia orgnica fermentable), bacterias acetognicas (responsables del proceso de acetognesis de los cidos grasos voltiles), bacterias metanognicas hidrogenotrficas (responsables de la

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conversin del hidrgeno en metano), bacterias metanognicas acetoclsticas (responsables de la conversin del cido actico en metano) y las bacterias sulfato reductoras (responsables de la conversin de sulfato en sulfuro a partir de cidos grasos voltiles e hidrgeno).

Aunque el modelo incluye 12 grupos de bacterias, las condiciones que prevalezcan en cada unidad de tratamiento (aerobias, anxicas o anaerobias) determinarn qu grupos de bacterias pueden proliferar. Por ejemplo, en la digestin anaerobia de fango secundario, las bacterias hetertrofas, auttrofas y acumuladoras de polifosfatos no podrn desarrollarse, simplemente morirn a una determinada velocidad (bH, bA and bPAO, respectivamente) proporcionando la materia orgnica lentamente biodegradable para el proceso de digestin.

El modelo utilizado para representar los procesos de sedimentacin (Ribes et al., 2002) consiste en un modelo unidimensional basado en la teora del flujo de slidos y en el balance de materia propuesto por Takcs para la velocidad de sedimentacin (Takcs et al., 1991), corregida por una funcin para representar el fenmeno de compresin en las capas inferiores. Este modelo unido al modelo biolgico permite tener en cuenta los procesos biolgicos 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 continuacin.

2.1.1. Componentes solubles, S

SA (MDQOL-3): Acetato + cido Actico. Es el principal producto de la fermentacin, y se modela de forma independiente al resto de los cidos grasos voltiles.

SAl (MAlL-3): Aluminio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitacin.

SCa (MCaL-3): Calcio presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitacin.

SCH4 (MDQOL-3): Metano. Es el principal producto generado en los sistemas de digestin

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anaerobia.

SF (MDQOL-3): Sustratos orgnicos fcilmente biodegradables, fermentables. Es la fraccin de la DQO soluble que est disponible directamente para la degradacin por los organismos hetertrofos. Se asume que SF puede servir como sustrato para el proceso de fermentacin.

SFe (MFeL-3): Hierro presente en el medio, empleado como micronutriente y como compuesto presente en los procesos de precipitacin.

.SH2 (MDQOL-3): Hidrgeno. Subproducto generado en los sistemas de digestin anaerobia, se forma en el proceso de fermentacin pero en su mayora es transformado en metano

SH2S (MSL-3): cido sulfhdrico, producto de la reduccin del sulfato. Es la suma de H2S + HS- + S-2.

SI (MDQOL-3): materia orgnica inerte. La principal caracterstica de este elemento es que no puede ser degradado. Se asume que este elemento es parte del influente.

SIC (MolCL-3): Carbono inorgnico. Es la suma analtica de las concentraciones de carbonato (CO32-), bicarbonato (HCO3-) y cido carbnico (H2CO3). El cido carbnico est en equilibrio con el dixido de carbono (CO2) disuelto, siendo la concentracin de este ltimo del orden de 100 veces superior a la de cido carbnico. Por este motivo la concentracin de CO2 tambin 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): nitrgeno gaseoso, N2. Se asume que solamente es un producto de la desnitrificacin.

SNH4 (MNL-3): amonio ms nitrgeno amoniacal. Para el balance de las cargas elctricas, se asume que el SNH4 es solamente NH4+, sin embargo, en la realidad est compuesto de NH3 + NH4+-N.

SNO3 (MNL-3): nitrato, compuesto que se genera de la oxidacin del nitrito.

SNO2 (MNL-3): nitrito, compuesto de NO2- + HNO2 + -N generado a partir de la oxidacin del

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amonio y la reduccin nitrato.

SO2 (MO2L-3): oxgeno disuelto en el medio.

SPO4 (MPL-3): fsforo soluble inorgnico, principalmente ortofosfatos. Para el balance de las cargas elctricas, se asume que este componente est compuesto de un 50% de H2PO4- y un 50% de HPO42-, independiente del pH.

SPRO (MDQOL-3): Productos de la fermentacin excluyendo el cido actico. Se incluyen en este componente los cidos grasos voltiles que se generan en el proceso de fermentacin y que no pueden ser transformados directamente en metano (propinico, butrico, valrico, etc). Para los clculos estequiomtricos 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, tambin 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): Protn. Este componente representa la concentracin total de protones en disolucin, siendo la suma analtica de las concentraciones de protones libres en disolucin (H+), y protones combinados formando parte de otras especies (HCO3-, H2CO3, HPO42-, H2PO4-, etc).

2.1.2. Componentes particulados, X

XACID (MDQOL-3): bacterias acidognicas. Son los organismos responsables de la generacin de cidos grasos voltiles por fermentacin y de la hidrlisis de la materia orgnica 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 nitrgeno en condiciones anaerobias.

XAMM (MDQOL-3): Bacterias amoniooxidantes. Se encargan de la oxidacin del amonio a nitrito y slo sern tenidas en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificacin se calcule como un proceso de dos etapas.

Dado que el programa permite al usuario elegir el clculo de los procesos de nitrificacin en una etapa o en 2 etapas el modelo biolgico considera las bacterias auttrofas, las bacterias amoniooxidantes y las bacterias nitritooxidantes.

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XAUT (MDQOL-3): organismos nitrificantes auttrofos. Este componente incluye tanto las bacterias amoniooxidantes como las bacterias nitritooxidantes y slo ser tenido en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificacin se calcule como un proceso de una sola etapa.

XH (MDQOL-3): organismos hetertrofos. Se asume que estos organismos pueden crecer en condiciones aerobias y anxicas, utilizando como aceptor de electrones el oxgeno, el nitrato o el nitrito, respectivamente. Son los responsables de los procesos de hidrlisis de los sustratos particulados y pueden usar todos los sustratos solubles orgnicos degradables (SA, Spro y SF).

XI (MDQOL-3): material orgnico inerte. Este material no se puede degradar. XI puede ser una fraccin del influente o puede producirse dentro del proceso de lisis (muerte celular).

XNIT (MDQOL-3): Bacterias nitritooxidantes. Se encargan de la oxidacin del nitrito a nitrato y slo sern tenidas en cuenta cuando el usuario decida que la nitrificacin se calcule como un proceso de dos etapas.

XNV (MSSTL-3): Slidos suspendidos no voltiles. Este componente no participa en los procesos biolgicos, nicamente se concentra por sedimentacin.

XMAC (MDQOL-3): bacterias metanognicas acetoclsticas. Estos organismos son anaerobios estrictos y son los responsables de la conversin del cido actico en metano.

XMH2 (MDQOL-3): bacterias metanognicas acetoclsticas. Estos organismos son anaerobios estrictos y son los responsables de la conversin del hidrgeno en metano.

XPAO (MDQOL-3): organismos acumuladores de polifosfatos (PAOs). Se asume que estos organismos representan a todos los organismos acumuladores de polifosfatos. La concentracin 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. ste incluye poli-hidroxialcanoatos (PHA), glicgeno, etc. Aunque est asociado con XPAO, sin embargo, no est incluido en la masa de XPAO. Tiene una composicin qumica de poli-hidroxibutirato, (C4H6O2)n.

XPP (MPL-3): polifosfato. El polifosfato es un producto almacenado intracelularmente en las PAOs, Aunque est asociado con XPAO, sin embargo, no est incluido en la masa de XPAO. Forma parte del fsforo particulado. Tiene una la composicin qumica (K0.33Mg0.33PO3)n.

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XPRO (MDQOL-3): bacterias acetognicas. Son los organismos responsables de la transformacin en cido actico de los cidos grasos voltiles que no pueden ser transformados en metano.

XS (MDQOL-3): sustrato lentamente biodegradable. Es un sustrato orgnico particulado y coloidal de alto peso molecular que necesita ser hidrolizado antes de estar disponible para la degradacin. Se asume que los productos de la hidrlisis (SF) se pueden fermentar.

XSRB-PRO (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el cido propinico para su desarrollo.

XSRB-AC (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el cido actico para su desarrollo.

XSRB-H2 (MDQOL-3): organismos sulfato reductores, capaces de emplear como sustrato el hidrgeno para su desarrollo.

XMEOH (MSSTL-3): hidrxidos metlicos. Este componente se aade al sistema para llevar a cabo el proceso de precipitacin qumica del fsforo. Se asume que este componente est compuesto de Fe(OH)3. Es posible reemplazar este componente por otros reactivos.

XMEP (MSSTL-3): fosfatos metlicos. Este componente resulta de la precipitacin qumica del fsforo. Se asume que este componente est compuesto de FePO4.

XTSS (MSSTL-3): slidos suspendidos totales, SST. No son un componente del modelo pero se calcula su concentracin a partir de los correspondientes factores estequiomtricos.

XMAP (MMAPL-3): precipitado de estruvita, est formado por MgNH4PO46H2O.

XHAP (MHAPL-3): precipitado de hidroxiapatita, est formado por fosfato de calcio cristalino (Ca10(PO4)6(OH)2).

XVar (MVarL-3): precipitado de estruvita, est formado por mineral de fosfato con formula AlPO42H2O.

XACP (MACPL-3): precipitado de fosfato de calcio amorfo (ACP), est formado por mineral de fosfato con formula Ca4H(PO4)32.5H2O

XNew (MNewL-3): precipitado de newberita, est formado por mineral de fosfato con formula MgHPO43H2O.

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XViv (MVivL-3): precipitado de vivianita, est formado por mineral fosfato de hierro con formula Fe3(PO4)28(H2O).

XEst (MEstL-3): precipitado de estrengita, est formado por FePO42H2O.

XCal (MCalL-3): precipitado de calcita, es un mineral del grupo de los carbonatos y est 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 composicin qumica 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, nitrgeno, fsforo, slidos suspendidos totales, magnesio, potasio, calcio, hierro, azufre, carbono y protones. Estas ecuaciones se utilizan para calcular los coeficientes estequiomtricos de SO2 (SNO3 y SN2 en desnitrificacin) a partir de la DQO, SNH4 a partir del nitrgeno, SPO4 a partir del fsforo, XTSS a partir de los slidos 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 conversin 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 aplicacin de las ecuaciones de continuidad.

Ecuacin continuidad DQO Nitrgeno Fsforo Slidos Magnesio Potasio Calcio Hierro Carbono Protones Azufre Factores iDQO.i iN.i iP.i iSST.i iMg.i iP.i iCa.i iFe.i iC.i iH+.i iS.i Componentes Unidades g DQO g N g P g SST g Mg g K g Ca g Fe Mol C Mol H g S

SO2 g O2 -1 SF g DQO 1 iNSF iPSF iMgSF iKSF iCaSF iFeSF iCSF iSSF SA g DQO 1 2/64 1/64

SPRO g DQO 1 3/112 1/112 SNH4 g N 1 -1/14 SNO2 g N - 48/14 1 1/14 SNO3 g N - 64/14 1 1/14 SN2 g N - 24/14 1 SPO4 g P 1 2/31(*) SI g DQO 1 iNSI iPSI iMgSI iKSI iCaSI iFeSI iCSI iSSI

SH2 g DQO 1 SCH4 g DQO 1 1/64 StotH mol H+ -1 SMg g Mg 1 SK g K 1 SCa g Ca 1 SFe g Fe 1 SAl g Al StotC mol C 1 2 SSO4 g S -2 2/32 1 SH2S g S 1/32 1

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

Ecuacin continuidad DQO Nitrogeno Fsforo Solidos Magnesio Potasio Clcio Hierro Carbono Protones Azufre Factores iDQO.i iN.i iP.i iSST.i iMg.i iP.i iCa.i iFe.i iC.i iH+.i iS.i Componentes Unidades g DQO g N g P g SST g Mg g K g Ca g Fe Mol C Mol H g S

XI g DQO 1 iNXI iPXI iSSTXI iMgXI iKXI iCaXI iFeXI iCXI iSXI XS g DQO 1 iNXS iPXS iSSTXS iMgXS iKXS iCaXS iFeXS iCXS iSXS XH g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM

XAUT/ XANA g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM FeBM iCBM iSBM XAMM g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XNIT g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XPAO g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XPHA g DQO 0.6 1/36 XPP g P 1 3.32 0.2581 0.4194

XACID g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XPRO g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XMAC g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XMH2 g DQO 1 0.07 0.02 0.7 iMgBM iKBM iCaBM iFeBM 5/160 iSBM XSST g SST - 1 XNV

XMEOH XMEP

XSRB-PRO g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM CaBM iFeBM iCBM iSBM XSRB-AC g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM XSRB-H2 g DQO 1 iNBM iPBM iSSTBM iMgBM iKBM iCaBM iFeBM iCBM iSBM

(*) Debe haber una variacin total de 2 H+ cada vez que se toma/suelta el fosfato. As 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.

14

2.3. Procesos cinticos

El modelo BNRM1 ampliado considera 47 procesos biolgicos y 24 procesos fsicos controlados por la cintica. A continuacin se explican los diversos procesos agrupados en funcin de las bacterias que los realizan.

Bacterias Hetertrofas: Estas bacterias son responsables de la hidrlisis de la materia orgnica particulada en condiciones anaerobias, anxicas y aerobias y de la degradacin de la materia orgnica soluble. Se asume que tanto el rendimiento de las bacterias como su velocidad de crecimiento son independientes del sustrato. La estequiometra de estos procesos se muestra en la Tabla 2.

En las tablas de la estequiometra de los procesos se incluye la nitrificacin y desnitrificacin en una etapa (N1E) y la nitrificacin y la desnitrificacin en dos etapas (N2E).

Bacterias Acumuladoras de Polifosfatos (PAOs): Estas bacterias son capaces de tomar cidos grasos voltiles (SA y SPRO) en condiciones anaerobias y almacenarlos en forma de poli-hidroxi-alcanoatos (PHA). La energa necesaria la obtienen de la degradacin de las reservas de polifosfato a fosfato que vierten al medio. Este proceso tambin se ha observado en condiciones anxicas y aerobias. El PHA almacenado es oxidado en condiciones anxicas y aerobias y la energa obtenida es utilizada por las bacterias para crecer y tomar fsforo reponiendo las reservas de polifosfato. La estequiometra de estos procesos se muestra en la Tabla 3.

Bacterias Auttrofas: Estas bacterias comprenden las bacterias nitrificantes (amoniooxidantes, nitritooxidantes) y las ANAMMOX. La Tabla 4 muestra la estequiometra 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 produccin de biogs y otros componentes. Existen varios grupos de este tipo de bacterias, las cuales cada una tiene una funcin dentro del sistema:

- Bacterias Acidognicas: Estas bacterias son responsables del proceso de fermentacin. Mediante este proceso la materia orgnica fermentable es transformada bajo condiciones anaerobias en cidos grasos voltiles. Estas bacterias tambin son capaces de hidrolizar la materia orgnica suspendida en condiciones anaerobias.

- Bacterias Acetognicas: Estas bacterias son responsables de la transformacin de los cidos grasos voltiles en cido actico e hidrgeno, que son los precursores del metano.

15

- Bacterias Metanognicas: El modelo BNRM1 ampliado considera dos grupos de bacterias metanognicas: acetoclsticas (responsables de la transformacin del cido actico en metano) e hidrogenotrficas (responsables de la transformacin del hidrgeno en metano). La Tabla 5 muestra la estequiometra de los procesos llevados a cabo por estas bacterias.

Bacterias sulfatoreductoras: Estas bacterias son responsables de la reduccin del sulfato a sulfuro en condiciones anaerobias, consumiendo para ello cidos grasos voltiles e hidrgeno. La estequiometra de estos procesos se muestra en la Tabla 6. La presencia de estas bacterias, no es deseada porque consumen el sustrato que las bacterias metanognicas necesitan para su desarrollo. Otra razn por la que su presencia no es deseable, es que el sulfuro est en equilibrio con el H2S que es sumamente corrosivo pudiendo daar los equipos, la presencia de H2S en el biogs dificulta su valorizacin energtica.

Procesos Fsico-Qumicos: El modelo BNRM1 ampliado considera el proceso de precipitacin qumica del fsforo de forma anloga al ASM2d. Adems se incluyen los procesos de desabsorcin de los distintos gases considerados en el modelo (dixido de carbono, oxgeno, metano, hidrgeno, nitrgeno, amonio y sulfhdrico) y la precipitacin y redisolucin de los distintos componentes que pueden formarse. La Tabla 7 muestra la estequiometra de los procesos fsicos llevados a cabo en el sistema.

16

Tabla 2. Estequiometra de los procesos biolgicos llevados a cabo por las bacterias hetertrofas. PROCESOS SO2 SF SA SPRO SNH4 SNO2 SNO3 SN2 SPO4 SI StotH SMg SK SCa SFe StotC SSO4 XI XS XH 01. Hidrlisis Aerobia 1-fSI N,1 P,1 fSI H+,1 Mg,1 K,1 Ca,1 Fe,1 C,1/1000 S,1 -1 02. Hidrlisis Anxica 1-fSI N,2 P,2 fSI H+,2 Mg,2 K,2 Ca,2 Fe,2 C,2/1000 S,2 -1 03. Hidrlisis Anaerobia 1-fSI N,3 P,3 fSI H+,3 Mg,3 K,3 Ca,3 Fe,3 C,3/1000 S,3 -1

04. Crecimiento XH Aerobio a partir de SF -1-YHYH

-

1YH

N,4 P,4 H+,4 Mg,4 K,4 Ca,4 Fe,4 C,4/1000 S,4 1

05. Crecimiento XH Aerobio a partir de SA -1-YHYH

-

1YH

N,5 P,5 H+,5 Mg,5 K,5 Ca,5 Fe,5 C,5/1000 S,5 1

06. Crecimiento XH Aerobio a partir de SPRO -1-YHYH

-

1YH

N,6 P,6 H+,6 Mg,6 K,6 Ca,6 Fe,6 C,6/1000 S,6 1

07. Crecimiento XH Anxico a partir de SF y NO3 N1E -

1YH,NO3

N,7 -1-YH,NO3

2.86YH,NO3

1-YH,NO32.86YH,NO3

P,7 H+,7 Mg,7 K,7 Ca,7 Fe,7 C,7/1000 S,7 1

N2E -1

YH,NO3

N,7 1-YH,NO3

1.14YH,NO3 -

1-YH,NO31.14YH,NO3

P,7 H+,7 Mg,7 K,7 Ca,7 Fe,7 C,7/1000 S,7

08. Crecimiento XH Anxico a partir de SA y NO3 N1E -

1YH,NO3

N,8 -1-YH,NO3

2.86YH,NO3

1-YH,NO32.86YH,NO3

P,8 H+,8 Mg,8 K,8 Ca,8 Fe,8 C,8/1000 S,8 1

N2E -1

YH,NO3

N,8 1-YH,NO3

1.14YH,NO3 -

1-YH,NO31.14YH,NO3

P,8 H+,8 Mg,8 K,8 Ca,8 Fe,8 C,8/1000 S,8

09. Crecimiento XH Anxico a partir de SPRO y NO3 N1E -

1YH,NO3

N,9 -1-YH,NO3

2.86YH,NO3

1-YH,NO32.86YH,NO3

P,9 H+,9 Mg,9 K,9 Ca,9 Fe,9 C,9/1000 S,9 1

N2E -1

YH,NO3 N,9

1-YH,NO31.14YH,NO3

-

1-YH,NO31.14YH,NO3

P,9 H+,9 Mg,9 K,9 Ca,9 Fe,9 C,9/1000 S,9

10. Crecimiento XH Anxico a partir de SF y NO2 -1

YH,NO2

N,10 -1-YH,NO2

1.71YH,NO2

1-YH,NO21.71YH,NO2

P,10 H+,10 Mg,10 K,10 Ca,10 Fe,10 C,10/1000 S,10 1

11. Crecimiento XH Anxico a partir de SA y NO2 -1

YH,NO2

N,11 -1-YH,NO2

1.71YH,NO2

1-YH,NO21.71YH,NO2

P,11 H+,11 Mg,11 K,11 Ca,11 Fe,11 C,11/1000 S,11 1

12. Crecimiento XH Anxico a partir de SPRO y NO2 -1

YH,NO2 N,12 -

1-YH,NO21.71YH,NO2

1-YH,NO21.71YH,NO2

P,12 H+,12 Mg,12 K,12 Ca,12 Fe,12 C,12/1000 S,12 1

13. Lisis XH N,13 P,13 H+,13 Mg,13 K,13 Ca,13 Fe,13 C,13/1000 S,13 fXI 1-fXI -1

Tabla 3. Estequiometra de los procesos biolgicos llevados a cabo por las bacterias acumuladoras de polifosfatos. PROCESOS SO2 SA SPRO SNH4 SNO2 SNO3 SN2 SPO4 StotH SMg SK SCa SFe StotC SSO4 XI XS XPAO XPHA XPP

14. Almacenamiento PHA a partir de SA -1 YPO4 H+,14 Mg,14 K,14 C,14/1000 1 -YPO4 15. Almacenamiento PHA a partir de SPRO -1 YPO4 H+,15 Mg,15 K,15 C,15/1000 1 -YPO4 16. Almacenamiento de polifosfato Aerobio -YPHA -1 H+,16 Mg,16 K,16 C,16/1000 -YPHA 1

17. Almacenamiento de polifosfato anxico (NO3) N1E

-

YPHA,NO32.86

YPHA,NO32.86

-1 H+,17 Mg,17 K,17 C,17/1000 -YPHA,NO3 1

N2E YPHA,NO3

1.14 -YPHA,NO3

1.14 -1 H+,17 Mg,17 K,17 C,17/1000 -YPHA,NO3 1

18. Almacenamiento de polifosfato Aerobio (NO2) - YPHA,NO21.71 YPHA,NO2

1.71 -1 H+,18 Mg,18 K,18 C,18/1000 -YPHA,NO2 1

19. Crecimiento XPAO Aerobio a partir de XPHA -1-YPAOYPAO

N,19 P,19 H+,19 Mg,19 K,19 Ca,19 Fe,19 C,19/1000 S,19 1 -1

YPAO

20. Crecimiento XPAO Anxico a partir de XPHA (NO3) N1E N,20 -

1-YPAO,NO32.86YPAO,NO3

1-YPAO,NO32.86YPAO,NO3 P,20 H+,20 Mg,20 K,20 Ca,20 Fe,20 C,20/2000 S,20 1 -

1YPHA,NO3

N2E N,20 1-YPAO,NO3

1.14YPAO,NO3 -

1-YPAO,NO31.14YPAO,NO2

P,20 H+,20 Mg,20 K,20 Ca,20 Fe,20 C,20/2000 S,20 1 -1

YPHA,NO3

21. Crecimiento XPAO Anxico a partir de XPHA (NO2) N,21 -1-YPAO,NO2

2.86YPAO,NO3

1-YPAO,NO22.86YPAO,NO3

P,21 H+,21 Mg,21 K,21 Ca,21 Fe,21 C,21/1000 S,21 1 -1

YPHA,NO2

22. Lisis XPAO N,22 P,22 H+,22 Mg,22 K,22 Ca,22 Fe,22 C,22/1000 S,22 fXI 1-fXI -1 23. Lisis XPP 1 H+,23 Mg,23 K,23 -1 24. Lisis XPHA 1 H+,24 -1

17

Tabla 4. Estequiometra de los procesos biolgicos llevados a cabo por las bacterias auttrofas. PROCESOS SO2 SNH4 SNO2 SNO3 SN2 SPO4 StotH SMg SK SCa SFe StotC SSO4 XI XS XAUT/XANA XAMM XNIT

25. Crecimiento XAUT Aerobio (Nitrificacin) N1E -4.57-YAUT

YAUT -

1YAUT

-iNBM 1YAUT P,25 H+,25 Mg,25 K,25 Ca,25 Fe,25 C,25/1000 S,25 1 26. Crecimiento XANA N2E -

1YANA

-iNBM - 1YANA -1

1.14 1

1.14 2

YANA P,26 H+,26 Mg,26 K,26 Ca,26 Fe,26 C,26/1000 S,26 1

27. Crecimiento XAMM N2E -3.43-YAMM

YAMM

-

1YAMM

-iNBM 1YAMM P,27 H+,27 Mg,27 K,27 Ca,27 Fe,27 C,27/1000 S,27 1 28. Crecimiento XNIT N2E -

1.14-YNITYNIT

N,28 -1

YNIT

1YNIT

P,28 H+,28 Mg,28 K,28 Ca,28 Fe,28 C,28/1000 S,28 1

29. Lisis XAUT N1E N,29 P,29 H+,29 Mg,29 K,29 Ca,29 Fe,29 C,29/1000 S,29 fXI 1-fXI -1 30. Lisis XANA N2E N,30 P,30 H+,30 Mg,30 K,30 Ca,30 Fe,30 C,30/1000 S,30 fXI 1-fXI -1 31. Lisis XAMM N2E N,31 P,31 H+,31 Mg,31 K,31 Ca,31 Fe,31 C,31/1000 S,31 fXI 1-fXI -1 32. Lisis XNIT N2E N,32 P,32 H+,32 Mg,32 K,32 Ca,32 Fe,32 C,32/1000 S,32 fXI 1-fXI -1

Tabla 5. Estequiometra de los procesos biolgicos anaerobios.

PROCESOS SF SA SPRO SNH4 SPO4 SI SH2 SCH4 StotH SMg SK SCa SFe StotC SSO4 XI XS XACID XPRO XMAC XMH2 33. Hidrlisis Anaerobia 1-fSI N,33 P,33 fSI H+,33 Mg,33 K,33 Ca,33 Fe,33 C,33/1000 S,33 -1 34. Fermentacin de la materia fermentable (SF) -

1YACID

1-YACIDYACID

fAC 1-YACIDYACID fPRO N,34 P,34 1-YACID

YACID 1-fAC-fPRO H+,34 Mg,34 K,34 Ca,34 Fe,34 C,34/1000 S,34 1

35. Oxidacin anaerobia del Ac. propinico 1-YPROYPRO fAC -1

YPRO N,35 P,35

1-YPROYPRO

1-fAC H+,35 Mg,35 K,35 Ca,35 Fe,35 C,35/1000 S,35 1 36. Conversin del cido actico en metano -

1YMAC

N,36 P,36 1-YMAC

YMAC H+,26 Mg,26 K,26 Ca,26 Fe,26 C,26/1000 S,26 1

37. Conversin del hidrgeno en metano N,37 P,37

-

1YMH2

1-YMH2YMH2

H+,37 Mg,37 K,37 Ca,37 Fe,37 C,37/1000 S,37 1 38. Lisis XACID N,38 P,38 H+,38 Mg,38 K,38 Ca,38 Fe,38 C,38/1000 S,38 fXI 1-fXI -1 39. Lisis XPRO N,39 P,39 H+,39 Mg,39 K,39 Ca,39 Fe,39 C,39/1000 S,39 fXI 1-fXI -1 40. Lisis XMAC N,40 P,40 H+,40 Mg,40 K,40 Ca,40 Fe,40 C,40/1000 S,40 fXI 1-fXI -1 41. Lisis XMH2 N,41 P,41 H+,41 Mg,41 K,41 Ca,41 Fe,41 C,41/1000 S,41 fXI 1-fXI -1

Tabla 6. Estequiometra de los procesos biolgicos llevados a cabo por las bacterias sulfatoreductoras. PROCESOS SA SPRO SNH4 SPO4 SH2 StotH SMg SK SCa SFe StotC SSO4 SH2S XI XS XSRB-PRO XSRB-AC XSRB-H2

42. Crecimiento XSRB-PRO 1-YSRB,PRO

1.75YSRB,PRO -

1YSRB,PRO

N,42 P,42

H+,42 Mg,42 K,42 Ca,42 Fe,42 C,42/1000 -1-YSRB,PRO

4.67YSRB,PRO-iSBM 1-YSRB,PRO4.67YSRB,PRO 1

43. Crecimiento XSRB-AC -1

YSRB,AC

N,43 P,43

H+,43 Mg,43 K,43 Ca,43 Fe,43 C,43/1000 -1-YSRB,AC2YSRB,AC

-iSBM 1-YSRB,AC2YSRB,AC 1 44. Crecimiento XSRB-H2 N,44 P,44 -

1YSRB,H2

H+,44 Mg,44 K,44 Ca,44 Fe,44 C,44/1000 -1-YSRB,H22YSRB,H2

-iSBM 1-YSRB,H22YSRB,H2 1 45. Lisis XSRB-PRO N,45 P,45 H+,45 Mg,45 K,45 Ca,45 Fe,45 C,45/1000 S,44 fXI 1-fXI -1 46. Lisis XSRB-AC N,46 P,46 H+,46 Mg,46 K,46 Ca,46 Fe,46 C,46/1000 S,45 fXI 1-fXI -1 47. Lisis XSRB-H22 N,47 P,47 H+,47 Mg,47 K,47 Ca,47 Fe,47 C,47/1000 S,46 fXI 1-fXI -1

18

Tabla 7. Estequiometra de los procesos fsico-qumicos. PROCESOS SO2 SNH4 SN2 SPO4 SH2 SCH4 SH2S StotH StotC SMg SCa SFe SAl XMEOH XMEP XACP XHAP XMAP XNew XViv XEst XVar XCal 48. Precipitacin

-1 H+,48 - Hidrxido en Precipitado - Fosfato en Precipitado 49. Redisolucin

1 H+,49 Hidrxido en Precipitado Fosfato en Precipitado 50. Desabsorcin CO2 H+,50 C,50/1000 51. Desabsorcin O2 -1 52. Desabsorcin CH4 -1 53. Desabsorcin H2 -1 54. Desabsorcin N2 -1 55. Desabsorcin NH3 -1 H+,55 56. Desabsorcin H2S -1 H+,56 57. Precipitacin ACP -2x30.1 -3x40.1 1 58. Disolucin ACP 2x30.1 3x40.1 -1 59. Precipitacin HAP -1x30.1 1 -2x40.1 -1 1 60. Precipitacin MAP -1x14 -1x30.1 -1x24.3 1 61. Disolucin MAP -1x14 1x30.1 1x24.3 -1 62. Precipitacin Newberita -1x30.1 -1x24.3 1 63. Disolucin Newberita 1x30.1 1x24.3 -1 64. Precipitacin Vivianita -2x30.1 -3x55.8 1 65. Disolucin Vivianita 2x30.1 3x55.8 -1 66. Precipitacin Estrengita -1x30.1 -1x55.8 1 67. Disolucin Estrengita 1x30.1 1x55.8 -1 68. Precipitacin Variscita -1x30.1 -1x27 1 69. Disolucin Variscita 1x30.1 1x27 -1 70. Precipitacin Calcita -1 -1x40.1 1 71. Disolucin Calcita 1 1x40.1 -1

19

En todos los procesos considerados en el modelo, los coeficientes estequiomtricos del amonio, fosfato, slidos suspendidos, carbono inorgnico y protones se calculan a partir de las ecuaciones de continuidad.

Las expresiones cinticas 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-saturacin correspondientes al oxgeno, nitrato, amonio, fosfato, etc. se han utilizado las abreviaturas Mi siendo "i" el componente empleado. Cada una de estas funciones representa la ecuacin siguiente:

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

La inhibicin de la velocidad de los distintos procesos biolgicos por el valor de pH del medio se ha denominado IpH y representa la combinacin de la funcin switch de semisaturacin y la inhibicin no competitiva tal y como muestra la siguiente ecuacin:

donde: SH representa la concentracin de protones libres en disolucin, KpH y KI,pH las constantes de semi-saturacin e inhibicin respectivamente y fpH es un factor que representa el valor mximo del producto de ambas funciones switch. Este factor se utiliza para eliminar la inhibicin por el pH (IpH=1) en las condiciones de pH ptimo. Derivando esta expresin con respecto a la concentracin de protones se obtiene que el mximo de la funcin se produce cuando la concentracin de protones es igual a:

20

Tabla 8. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA

01. Hidrlisis Aerobia

02. Hidrlisis Anxica

03. Hidrlisis Anaerobia

04. Crecimiento XH Aerobio a partir de SF

05. Crecimiento XH Aerobio a partir de SA

06. Crecimiento XH Aerobio a partir de SPRO

07. Crecimiento XH Anxico a partir de SF y NO3

08. Crecimiento XH Anxico a partir de SA y NO3

09. Crecimiento XH Anxico a partir de SPRO y NO3

10. Crecimiento XH Anxico a partir de SF y NO2

HpH

H

SX

H

S

H XI

XXK

XX

MK +

O2

HpH

H

SX

H

S

NOONOH XI

XXK

XX

MIK +

323

HpH

H

SX

H

S

NOOfeH XI

XXK

XX

IIK +

32

HpHPROAF

F

FF

FPONHOH XISSS

SSK

SMMM ++

+ 442

HpHPROAF

A

AA

APONHOH XISSS

SSK

SMMM ++

+ 442

HpHPROAF

PRO

PROPRO

PROPONHOH XISSS

SSK

SMMM ++

+ 442

HpHNONO

NO

PROAF

F

FF

FPONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

344323

HpHNONO

NO

PROAF

A

AA

APONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

344323

HpHNONO

NO

PROAF

PRO

PROPRO

PROPONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

344323

HpHNONO

NO

PROAF

F

FF

FPONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

244222

21

Tabla 8 Cont. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA 11. Crecimiento XH Anxico a partir

de SA y NO2

12. Crecimiento XH Anxico a partir de SPRO y NO2

13. Lisis XH

14. Almacenamiento PHA a partir de SA

15. Almacenamiento PHA a partir de SPRO

16. Almacenamiento de polifosfato Aerobio

17. Almacenamiento de polifosfato anxico (NO3)

18. Almacenamiento de polifosfato anxico (NO2)

19. Crecimiento XPAO Aerobio a partir de XPHA

HpHNONO

NO

PROAF

A

AA

APONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

244222

HpHNONO

NO

PROAF

PRO

PROPRO

PROPONHNOONOH XISS

SSSS

SSK

SMMMI +++

+

23

244222

HH Xb

PAO

PAO

PPPP

PAO

PP

PROA

A

AA

APHA X

XXK

XX

SSS

SKSq

+

+

+

PAO

PAO

PPPP

PAO

PP

PROA

PRO

PROPRO

PROPHA X

XXK

XX

SSS

SKSq

+

+

+

PAOpH

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPHAPP

PAO

PHA

POPS

POKMgOPP XI

XXKK

XXK

XXK

XX

SKS

MMMq +

+

+

4

42

PAOpHNONO

NO

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPHAPP

PAO

PHA

POPS

POKMgNOONOPP XISS

S

XXKK

XXK

XXK

XX

SKS

MMMIq +

+

+

+

23

3

4

4323

PAOpHNONO

NO

PAO

PPMAXIPP

PAO

PPMAX

PAO

PHAPHAPP

PAO

PHA

POPS

POKMgNOONOPP XISS

S

XXKK

XXK

XXK

XX

SKSMMMIq

++

+

+

23

2

4

4222

PAOpH

PAO

PHAPAOPHA

PAO

PHA

PONHOPAO XI

XXK

XX

MMS +

,

442

22

Tabla 8 Cont. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA

20. Crecimiento XPAO Anxico a partir de XPHA (NO3)

21. Crecimiento XPAO Anxico a partir de XPHA (NO2)

22. Lisis XPAO

23. Lisis XPP

24. Lisis XPHA

25. Crecimiento XAUT Aerobio (Nitrificacin)

26. Crecimiento XANA

27. Crecimiento XAMM

28. Crecimiento XNIT

29. Lisis XAUT

30. Lisis XANA

31. Lisis XAMM

32. Lisis XNIT

33. Hidrlisis Anaerobia

34. Fermentacin de la materia fermentable (SF)

PAOpHNONO

NO

PAO

PHAPAOPHA

PAO

PHA

PONHNOONOPAO XISSS

XXK

XX

MMMI ++

23

3

,

44323

PAOpHNONO

NO

PAO

PHAPAOPHA

PAO

PHA

PONHNOONOPAO XISSS

XXK

XX

MMMI ++

23

2

,

44222

ICPAOPAO MXb

ICPPPP MXb ICPHAPHA MXb

AUTpHPONHOAUT XIMMM 442

ANApHPONONHOANA XIMMMI 4242AMMpHHNOPONHOAMM XIIMMM 2442

NITpHHNONOPONHONIT XIIMMMM 22442

AUTAUT Xb

ANAANA Xb AMMAMM Xb

NITNIT Xb

ACIDpH

ACID

SX

ACID

S

NOOH XI

XXK

XX

IIK +

32

ACIDpHSHSH

SH

HH

H

AA

A

FF

FPONHNOOACID XISK

KSK

KSK

KSK

SMMII +

+

+

+

22

2

22

24432

23

Tabla 8 Cont. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA 35. Oxidacin anaerobia del Ac.

propinico

36. Conversin del cido actico en metano

37. Conversin del hidrgeno en metano

38. Lisis XACID

39. Lisis XPRO

40. Lisis XMAC

41. Lisis XMH2

42. Crecimiento XSRB-PRO

43. Crecimiento XSRB-AC

44. Crecimiento XSRB-H2

45. Lisis XSRB-PRO

46. Lisis XSRB-AC

47. Lisis XSRB-H22

48. Precipitacin

49. Redisolucin

50. Desabsorcin CO2

51. Desabsorcin O2

52. Desabsorcin CH4

53. Desabsorcin H2

54. Desabsorcin N2

PROpHSHSH

SH

HH

H

AA

A

PROPRO

PROPONHNOOPRO XISK

KSK

KSK

KSK

SMMII +

+

+

+

22

2

22

24432

MACpHSHSH

SH

AA

APONHNOOMAC XISK

KSK

SMMII +

+

22

24432

222

2

22

244322 MHpH

SHSH

SH

ICC

IC

HH

HPONHNOOMH XISK

KSK

SSK

SMMII +

+

+

ACIDACID Xb

PROPRO Xb

MACMAC Xb

22 MHMH Xb

PROSRBpHSHSH

SH

PROPRO

PROSOPONHNOOPROSRB XISK

KSK

SMMMII

+

+

22

244432

ACSRBpHSHSH

SH

ACAC

ACSOPONHNOOACSRB XISK

KSK

SMMMII

+

+

22

244432

222

2

22

2444322 HSRBpH

ICIC

IC

SHSH

SH

HH

HSOPONHNOOHSRB XISK

SSK

KSK

SMMMII

+

+

+

PROSRBPROSRB Xb

ACSRBACSRB Xb

22 HSRBHSRB Xb MEOHPOPRE XSK 4

MEPRED XK ( )* 222 COCOCO SSKLa ( )* 222 OOO SSKLa ( )* 444 CHCHCH SSKLa ( )* 222 HHH SSKLa ( )* 222 NNN SSKLa

24

Tabla 8 Cont. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA 55. Desabsorcin NH3

56. Desabsorcin H2S

57. Precipitacin ACP

58. Disolucin ACP

59. Precipitacin HAP

60. Precipitacin MAP

61. Disolucin MAP

62. Precipitacin Newberita

63. Disolucin Newberita

64. Precipitacin Vivianita

( )* 333 NHNHNH SSKLa ( )* 222 SHSHSH SSKLa

[ ] [ ] ( )2

1

2

51

2315

234

53

2

1

1 ACP

tD

PSACP

SSTACPACP

ACPpACP

ISsignoKPOCaXXK

Kk +

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

51

2315

234

53

2

2

ACP

tD

PSACP

ACPACP

ACPdACP

ISsignoKPOCaXK

Xk

++

ACPHAP

ACPHAP XK

Xk+

[ ] [ ] [ ] ( )2

1

3

31

31

34

31

431

2

1

1 MAP

tdm

PSMAP

SSTMAPMAP

MAPpMAP

ISsignoKPONHMgXXK

Kk +

+++

[ ] [ ] [ ] ( )2

1

3

31

31

34

31

431

2

2

MAP

tdm

PSMAP

MAPMAP

MAPdMAP

ISsignoKPONHMgXK

Xk +

+++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

24

21

2

1

1 New

d

PSNew

SSTNewNew

NewpNew

ISsignoKHPOMgXXK

Kk +

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

24

21

2

2

New

d

PSNew

NewNew

NewdNew

ISsignoKHPOMgXK

Xk

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

2352

34

53

2

1

1 Viv

td

PSViv

SSTVivViv

VivpViv

ISsignoKPOFeXXK

Kk +

++

25

Tabla 8 Cont. Expresiones cinticas de los procesos considerados.

PROCESOS EXPRESIN CINTICA

65. Disolucin Vivianita

66. Precipitacin Estrengita

67. Disolucin Estrengita

68. Precipitacin Variscita

69. Disolucin Variscita

70. Precipitacin Calcita

71. Disolucin Calcita

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

2352

34

53

2

2

Viv

td

PSViv

VivViv

VivdViv

ISsignoKPOFeXK

Xk

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

34

21

2

1

1 Est

t

PSEst

SSTEstEst

EstpEst

ISsignoKPOFeXXK

Kk +

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

34

21

2

2

Est

t

PSEst

EstEst

EstdEst

ISsignoKPOFeXK

Xk

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

34

21

3

1

1 Var

t

PSVar

SSTVarVar

VarpVar

ISsignoKPOAlXXK

Kk +

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

34

21

3

2

Var

t

PSVar

VarVar

VardVar

ISsignoKPOAlXK

Xk

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

23

21

2

1

1 Cal

d

PSCal

SSTCalCal

CalpCal

ISsignoKCOCaXXK

Kk +

++

[ ] [ ] ( )2

1

2

21

221

23

21

2

2

Cal

d

PSCal

CalCal

CaldCal

ISsignoKCOCaXK

Xk

++

26

2.4. Procesos gobernados por el equilibrio

El modelo BNRM1 ampliado, incluye como procesos gobernados por el equilibrio las interacciones cido-base en las que participan los componentes considerados. A continuacin se muestran las especies que se pueden formar mediante reacciones cido-base y reacciones de in comn en las que estn implicados los componentes considerados.

ESPECIES (i) COMPONENTES (j) H2O H+ PO43- NH4+ CO32- Ca2+ Mg2+ K+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Ac.* Prop.**

H2O 1 H+ 1 PO43- 1 NH4+ 1 CO32- 1 Ca2+ 1 Mg2+ 1 K+ 1 Fe2+ 1 Fe3+ 1 Al3+ 1 Acetato 1 Propionato 1 Mg(Ac.)+ 1 1 Ca(Ac.)+ 1 1 K(Ac.) 1 1 H(Ac.) 1 1 Fe(Ac.)+ 1 1 Fe(Ac.)2+ 1 1 Fe(Ac.)2+ 1 2 Fe(Ac.)3 1 3 Mg(Prop.)+ 1 1 Ca(Prop.)+ 1 1 H(Prop.) 1 1 Fe(Prop.)2+ 1 1 OH- 1 -1 AlOH2+ 1 -1 1 Al(OH)2+ 2 -2 1 Al(OH)3 3 -3 1 Al(OH)4- 4 -4 1 FeOH+ 1 -1 1 Fe(OH)2 2 -2 1 Fe(OH)3- 3 -3 1 Fe(OH)2+ 1 -1 1 Fe(OH)2+ 2 -2 1 Fe(OH)3 3 -3 1 Fe(OH)4- 4 -4 1 Fe2(OH)24+ 2 -2 2 Fe3(OH)45+ 4 -4 3 MgOH+ 1 -1 1 CaOH+ 1 -1 1

27

ESPECIES (i) COMPONENTES (j) H2O H+ PO43- NH4+ CO32- Ca2+ Mg2+ K+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Ac.* Prop.**

NH3 -1 1 CaNH32+ -1 1 1 Ca(NH3)22+ -2 2 1 HPO42- 1 1 H2PO4- 2 1 H3PO4 3 1 FeH2PO4+ 2 1 1 FeHPO4 1 1 1 FeH2PO42+ 2 1 1 FeHPO4+ 1 1 1 MgPO4- 1 1 MgH2PO4+ 2 1 1 MgHPO4 1 1 1 CaHPO4 1 1 1 CaPO4- 1 1 CaH2PO4+ 2 1 1 KHPO4- 1 1 1 HCO3- 1 1 H2CO3 2 1 FeHCO3+ 1 1 1 MgCO3 1 1 MgHCO3+ 1 1 1 CaHCO3+ 1 1 1 CaCO3 1 1

Estos procesos gobernados por el equilibrio se describen mediante un conjunto de ecuaciones algebraicas que incluyen una expresin de la ley de accin 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 accin de masas: Balance de materia:

i = 1, 2, ..., N (nmero de especies) j = 1, 2, ..., N (nmero de componentes)

donde xj es la concentracin del componente j (ML-3), aij es el coeficiente estequiomtrico del componente j en la especie i y Ki es la constante de formacin de la especie i corregida por las variaciones de temperatura. Este modelo qumico puede encontrarse en (Serralta, et al., 2004). La resolucin de estas ecuaciones algebraicas se efecta mediante la aplicacin del programa MINTEQA2, (Allison et al.,1991). MINTEQA2 es un programa de clculo del equilibrio qumico desarrollado por la U.S.E.P.A. que permite calcular las concentraciones de todas las especies

28

presentes en el equilibrio. Los datos que necesita MINTEQA2 para el clculo del equilibrio consisten en un anlisis qumico del agua a calcular incluyendo las concentraciones totales de todos los componentes y otras medidas relevantes (temperatura, pH).

La formulacin matemtica de los modelos biolgicos 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 integracin 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 modificacin alguna de las concentraciones de los componentes. Por tanto, el procedimiento de clculo incluye la iteracin secuencial entre las ecuaciones diferenciales y las ecuaciones algebraicas. Las concentraciones totales de los distintos componentes, necesarias para el clculo del equilibrio, son calculadas mediante las ecuaciones diferenciales del modelo biolgico.

2.5. Valores de los parmetros del modelo

La Tabla 9 muestra los valores recomendados para los distintos parmetros cinticos considerados en el modelo. Esta tabla muestra tambin la referencia bibliogrfica en la que se basa dicha recomendacin. La tabla tambin muestra los valores recomendados para los distintos parmetros estequiomtricos considerados en el modelo.

29

Tabla 9. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente Hidrlisis Fsi 0.00 g DQO/g DQO Det. Experimental Kh 3.00 dia-1 ASM2d NO3 0.60 - ASM2d Fe 0.10 - ASM2d KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d KNO3 0.50 g Nm-3 ASM2d KX 0.10 g DQO/g DQO ASM2d Hetertrofas YH 0.63 g DQO/g DQO ASM2d Fxi 0.10 g DQO/g DQO ASM2d H 6.00 dia-1 ASM2d BH 0.40 dia-1 ASM2d KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Kf 4.00 g DQOm-3 ASM2d NO3 0.40 - ASM2d NO2 0.40 - - Ka 4.00 g DQOm-3 ASM2d Kpro 4.00 g DQOm-3 ASM2d KNO3 0.50 g Nm-3 ASM2d KNH4 0.05 g Nm-3 ASM2d KP 0.01 g Pm-3 ASM2d KNO2 0.50 g Nm-3 - KH 2.00E-07 mol H+m-3 Henze et al., 1997 KIH 4.35E-03 mol H+m-3 Henze et al., 1997 Auttrofas Yaut 0.24 g DQO/g N ASM2d Fxi 0.10 g DQO/g DQO ASM2d aut 1.00 dia-1 ASM2d Baut 0.15 dia-1 ASM2d KO2 0.50 g O2m-3 ASM2d KNH4 1.00 g Nm-3 ASM2d KP 0.01 g Pm-3 ASM2d KH 2.40E-07 mol H+m-3 Henze et al., 1997 KIH 8.71E-04 mol H+m-3 Henze et al., 1997

30

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente Amoniooxidantes Yamm 0.17 g DQO/g N ASM2d Fxi 0.10 g DQO/g DQO ASM2d amm 1.00 dia-1 Jimnez, 2010 Bamm 0.15 dia-1 Jimnez, 2010 KO2 0.52 g O2m-3 Jimnez, 2010 KNH4 0.54 g Nm-3 Jimnez, 2010 KiNO3 10000.00 g Nm-3 - KihNO2 1.30E-02 g Nm-3 Jimnez, 2010 KP 0.01 g Pm-3 ASM2d KH 1.00E-07 mol H+m-3 Jimnez, 2010 KIH 1.00E-03 mol H+m-3 Jimnez, 2010 Aih 2.64 mol H+ -1m3 Jimnez, 2010 Ah 2.74 mol H+ -1m3 Jimnez, 2010 Nitritooxidantes Ynit 0.07 g DQO/g N ASM2d Fxi 0.10 g DQO/g DQO ASM2d nit 0.50 dia-1 Jimnez, 2010 Bnit 7.50E-02 dia-1 Jimnez, 2010 KO2 0.67 g O2m-3 Jimnez, 2010 KNH4 0.01 g Nm-3 ASM2d KNO2 0.26 g Nm-3 Jimnez, 2010 KiNH3 10000.00 g Nm-3 - KihNO2 1000.00 g Nm-3 - KP 0.01 g Pm-3 ASM2d KIH 1.25E-04 mol H+m-3 Jimnez, 2010 Aih 6.90 mol H+ -1m3 Jimnez, 2010 Organismos acumuladores de polifosfato Ypao 0.63 g DQO/g DQO ASM2d Ypo4 0.40 g P/g DQO ASM2d Ypha 0.20 g DQO/g DQO ASM2d Fxi 0.10 g DQO/g DQO ASM2d Qpha 3.00 g DQO/(g PAOdia) ASM2d Qpp 1.50 g PP/(g PAOdia) ASM2d pao 1.00 dia-1 ASM2d Bpao 0.20 dia-1 ASM2d Bpp 0.20 dia-1 ASM2d Bpha 0.20 dia-1 ASM2d KNO3 0.50 g Nm-3 ASM2d NO3 0.40 - - KNO2 0.50 g Nm-3 - NO2 0.40 - - KNH4 0.05 g Nm-3 ASM2d KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Ka 4.00 g DQOm-3 ASM2d

31

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente Organismos acumuladores de polifosfato Kpro 4.00 g DQOm-3 ASM2d KP 0.01 g Pm-3 ASM2d KPS 0.20 g Pm-3 ASM2d Kalk 0.10 mol HCO3-m-3 - Kpp 0.01 g PP/ g PAO ASM2d Kmax 0.34 g PP/ g PAO ASM2d Kipp 0.02 g PP/ g PAO ASM2d Kphapao 0.01 g PHA/ g PAO ASM2d Kphapp 0.01 g PHA/ g PP ASM2d Kh 6.00E-07 mol H+m-3 Filipe et al., 2001 Kih 4.19E-04 mol H+m-3 Filipe et al., 2001 Kmg 1.00E-03 g Mgm-3 Barat et al., 2011 Kk 1.00E-03 g Km-3 Barat et al., 2011 Acidognicas Yacid 0.15 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fac 0.58 g DQO/g DQO Ajuste Fpro 0.25 g DQO/g DQO Ajuste acid 1.28 dia-1 Ajuste Bacid 0.33 dia-1 Ajuste Kf 15.00 g DQOm-3 Ajuste KNO3 0.50 g Nm-3 - Kh2s 250.00 g H2Sm-3 Det. Experimental KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Ka 6500.00 g DQOm-3 Ajuste Kh2 35.00 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 Kh 2.00E-07 mol H+m-3 Henze et al., 1997 Kih 4.35E-03 mol H+m-3 Henze et al., 1997 Knh4 0.05 g Nm-3 ASM2d Kp 0.01 g Pm-3 ASM2d Hidrlisis Acidognicas Fsi 0.05 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Kh 43.00 dia-1 Ajuste Kx 150.00 g DQO/g DQO Ajuste Kno3 0.50 g Nm-3 -

32

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente Acetognicas Ypro 0.05 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fac 56.84E-02 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 pro 17.67E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 Bpro 2.79E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 Kpro 10.00 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 KNO3 0.50 g Nm-3 - Kh2s 250.00 g H2Sm-3 Det. Experimental KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Ka 1500.00 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 Kh2 0.60 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Knh4 0.05 g Nm-3 ASM2d Kp 0.01 g Pm-3 ASM2d Metanognicas Acetotrficas Ymac 0.025 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 mac 10.57E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 Bmac 2.79E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 Ka 30.00 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 KNO3 0.50 g Nm-3 Siegrist et al., 1993 Kh2s 215.00 g H2Sm-3 Det. Experimental KO2 0.20 g O2m-3 ASM2d Ka 30.00 g DQOm-3 - Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Knh4 0.05 g Nm-3 ASM2d Kp 0.01 g Pm-3 ASM2d Metanognicas Hidrogenotrficas Ymh2 4.55E-02 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Siegrist et al., 1993 mh2 55.13E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 Bmh2 11.18E-02 dia-1 Siegrist et al., 1993 KNO3 0.50 g Nm-3 - Kh2 0.60 g DQOm-3 Siegrist et al., 1993 KO2 0.20 g O2m-3 Siegrist et al., 1993 Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Siegrist et al., 1993 Knh4 0.05 g Nm-3 ASM2d Kp 0.01 g Pm-3 ASM2d Kh2s 225.00 g H2Sm-3 Det. Experimental

33

Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente SRB-PRO Ysrb-pro 3.29E-02 g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 srb-pro 3.65 dia-1 Lizarralde et al., 2010 Bsrb-pro 0.01 dia-1 Vyacheslav et al., 2003 Kpro 34.00 g DQOm-3 Lizarralde et al., 2010 Kso4 19.20 g Sm-3 Lizarralde et al., 2010 KO2 0.20 g O2m-3 Lizarralde et al., 2010 Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Knh4 0.05 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010 Kp 0.01 g Pm-3 Lizarralde et al., 2010 Kh2s 276.00 g H2Sm-3 Lizarralde et al., 2010 Kno3 0.50 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010 SRB-AC Ysrb-ac 3.42E-02 g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 srb-ac 1.50 dia-1 Lizarralde et al., 2010 Bsrb-ac 1.50E-02 dia-1 Vyacheslav et al., 2003 Ka 24.00 g DQOm-3 Lizarralde et al., 2010 Kso4 9.60 g Sm-3 Lizarralde et al., 2010 KO2 0.20 g O2m-3 Lizarralde et al., 2010 Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Knh4 0.05 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010 Kp 0.01 g Pm-3 Lizarralde et al., 2010 Kh2s 265.00 g H2Sm-3 Lizarralde et al., 2010 Kno3 0.50 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010 SRB-H2 Ysrb-h2 3.66E-02 g DQO/g DQO Vyacheslav et al., 2003 Fxi 0.20 g DQO/g DQO Lizarralde et al., 2010 srb-h2 3.17 dia-1 Lizarralde et al., 2010 Bsrb-h2 0.01 dia-1 Vyacheslav et al., 2003 Kh2 0.07 g DQOm-3 Lizarralde et al., 2010 Kso4 9.98 g Sm-3 Lizarralde et al., 2010 KO2 0.20 g O2m-3 Lizarralde et al., 2010 Kh 1.00E-05 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Kih 6.30E-04 mol H+m-3 Lizarralde et al., 2010 Knh4 0.05 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010 Kp 0.01 g Pm-3 Lizarralde et al., 2010 Kh2s 265.00 g H2Sm-3 Lizarralde et al., 2010 Kno3 0.50 g Nm-3 Lizarralde et al., 2010

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Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente Precipitacin Kpre 1.00 m3 (g Fe(OH)3)-1dia-1 ASM2d Kred 0.60 dia-1 ASM2d Kalk 0.50 mol HCO3-m3 ASM2d Estruvita Kps_map 54.95E-15 mol/l Barat et al., 2011 Kp_map 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_map 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kmap1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 Kmap2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Newberita Kps_new 15.85E-06 mol/l Barat et al., 2011 Kp_new 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ new 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

new1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

new2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Variscita Kps_var 1.00E-21 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ var 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ var 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

var1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

var2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Estrengita Kps_est 39.81E-28 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ est 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ est 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

est1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

est2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Vivianita Kps_viv 1.00E-36 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ viv 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ viv 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

viv1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

viv2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Calcita Kps_cal 1.00E-36 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ cal 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ cal 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

cal1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

cal2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011

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Tabla 9 Cont. Valores recomendados para los parmetros cinticos y estequiomtricos del modelo.

Parmetros Valor a 20C Unidad Fuente ACP Kps_acp 1.00E-26 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ acp 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ acp 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

acp1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

acp2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Siderita Kps_sid 19.95E-12 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ sid 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ sid 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

sid1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

sid2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 Magnesita Kps_mag 34.67E-08 mol/l Barat et al., 2011 Kp_ mag 6.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 Kd_ mag 2.00E+08 l/ mol/d Barat et al., 2011 K

mag1 6.00E-10 M/g/m3 Barat et al., 2011 K

mag2 2.00E-04 mol/l Barat et al., 2011 HAP Kp_hap 2.00E-03 mol/l Barat et al., 2011 Khap 5.00E-04 mol/l Barat et al., 2011

La Tabla 10 muestra los valores de los factores de conversin para los contenidos en nitrgeno, fsforo, carbono, azufre, solidos, calcio, potasio, magnesio y hierro de las distintas fracciones de la materia orgnica.

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Tabla 10. Valores recomendados para los factores de conversin. Nitrgeno Fsforo 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

Azfre 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

p 0.3500 imgxpp 0.2800 ifesi 0.0000

iksi 0.0008 imgsi 0.0015 ifesf 0.0000 iksf 0.0008 imgsf 0.0015 ifexi 0.0000 ikxi 0.0008 imgxi 0.0015 ifexs 0.0000 Ikxs 0.0008 imgxs 0.0015 ifebm 0.0000 ikbm 0.0008 imgbm 0.0015

3. MODELO MATEMTICO DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIN

DESASS incluye un modelo unidimensional basado en la teora del flujo que permite simular el comportamiento dinmico de los fangos activados incluyendo el tanque de aireacin y el decantador secundario. Asimismo permite representar la dinmica de los decantadores primarios y espesadores considerando los procesos de generacin de cidos voltiles.

El modelo del decantador incluye las zonas de clarificacin, sedimentacin y compresin del fango, de forma que se pueden obtener no slo las concentraciones del efluente y de la recirculacin de fangos, sino tambin el perfil de concentraciones en el decantador. De esta manera, se podr conocer la posicin del manto de fangos en cada momento y la capacidad de almacenamiento de fangos del decantador.

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3.1. Modelo de flujo unidimensional En este modelo, se asume que los gradientes horizontales de concentracin de slidos en el

decantador son despreciables, y por tanto, slo se modelan los procesos en la direccin vertical.

El modelo de decantacin se basa en la teora del flujo de slidos propuesta por Kynch en 1952. Esta teora afirma que la velocidad de sedimentacin de los slidos en una suspensin slo vara con la concentracin inicial en la zona de sedimentacin retardada. Segn este modelo, el flujo total de slidos que se produce en el decantador se puede expresar como:

jT = jb + jS

es decir, la suma del flujo debido a la sedimentacin (jS) y el flujo debido al arrastre de slidos 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 seccin del decantador y la zona del decantador donde se evale (ver Figura 1):

- Parte superior a la alimentacin (y yf):

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

Figura 1. Esquema de un decantador

El flujo de slidos debido a la sedimentacin ser el producto de la velocidad de sedimentacin de los slidos por la concentracin de slidos existente:

jS = VS X

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3.1.1. Velocidad de sedimentacin zonal

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

VZS = V0 exp(-nX)

Este modelo es vlido nicamente en el intervalo de concentraciones donde se puede asumir que se produce una sedimentacin zonal. Mediante experimentos de sedimentacin en una probeta graduada para disoluciones con distintas concentraciones de slidos, se pueden obtener los valores de la velocidad de sedimentacin zonal por simple observacin del descenso de la interfase que separa los slidos que sedimentan del lquido clarificado (Ver Figura 2). Estos valores de la velocidad se pueden ajustar con el modelo de Vesilind obteniendo los parmetros V0 y n para el fango estudiado (Ver Figura 3).

Estos parmetros 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 fcilmente sedimentables tienen valores de V0 altos y valores de n bajos. Segn estos experimentos, el parmetro V0/n (que tiene unidades de flujo, kg/m2h) define la sedimentabilidad del fango segn la teora del flujo de slidos.

Figura 2. Altura de la interfase slido-lquido observada en experimentos en probeta para diferentes valores de la concentracin inicial de slidos en funcin del tiempo (Ekama et al., 1997).

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Figura 3. Obtencin de los parmetros de sedimentabilidad del fango para el intervalo de concentraciones de sedimentacin zonal (Ekama et al., 1997).

La obtencin de los parmetros V0 y n experimentalmente requiere por lo menos entre 6 y 10 experimentos de sedimentacin con un intervalo de concentraciones de 2 a 12 g/l. Esto supone un elevado tiempo de experimentacin, ya que para concentraciones superiores a los 6 g/l, el experimento para determinar la velocidad de sedimentacin zonal puede alargarse ms de 3 horas.

Dado el trabajo que supone la obtencin de estos parmetros para cada fango, y tambin los problemas de desnitrificacin que pueden aparecer en las columnas de sedimentacin, se han propuesto diversas correlaciones empricas de V0 y n con los diferentes parmetros de sedimentabilidad de los fangos. De esta manera se pueden obtener valores aproximados de V0 y n a partir de los valores de determinados parmetros 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 parmetros. La primera aproximacin se basa en el volumen ocupado por el fango despus de un tiempo fijo de sedimentacin, mientras que la segunda aproximacin se basa en la velocidad de sedimentacin zonal. Estos dos mtodos para determinar la sedimentabilidad del fango se basan en experimentos realizados en una probeta, aunque como se explic previamente, la primera aproximacin resulta ms cmoda, ya que se pueden obtener valores de la sedimentabilidad incluso

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con un solo experimento de sedimentacin. Los parmetros de sedimentabilidad ms importantes en los que se basa la primera aproximacin son los siguientes:

- ndice Volumtrico del Fango (IVF) o ndice de Mohlman. Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango sedimentado despus de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro.

- ndice Volumtrico del Fango Diluido (IVFD). Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango despus de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro, con la previsin de que dicho volumen est comprendido entre 150 y 250 ml/l.

- ndice Volumtrico del Fango Agitado a 35 g/l (IVFA35). Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango despus de decantar 30 minutos en una probeta estndar, de 100 de dimetro y 500 mm de altura, agitada suavemente (1 rpm), partiendo de una concentracin inicial estndar de 35 g/l. El IVFA35, a pesar de que se considera el mejor parmetro de los tres, requiere un equipamiento especfico para poder realizar los experimentos y por eso no es tan fcil de obtener.

Un mtodo ms sencillo de obtener la sedimentabilidad del fango consiste en utilizar el IVF y IVFD segn 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 concentracin del fango utilizada. La metodologa del experimento propuesto es la siguiente:

1) Obtencin del VF30 del fango de concentracin X. (Volumen de un litro de fango despus de 30 minutos de sedimentacin).

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

3) Si el VF30 resulta ser mayor de 250 ml/l, entonces se diluye el fango a una concentracin 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 correlacin emprica entre los dos ndices realizada por Merkel (1971) a partir de un gran nmero de datos experimentales.

ecuacin vlida para el intervalo de VF30 de 250 a 800 ml/l.

A partir del valor obtenido de IVF IVFD se pueden calcular los parmetros del modelo de sedimentacin zonal (V0 y n) utilizando las correlaciones que se muestran en la Tabla 11.

3.1.2. Expresin general de la velocidad de sedimentacin

La expresin siguiente de la velocidad de sedimentacin, ya mostrada con anterioridad, solamente describe el comportamiento de la sedimentacin zonal, pero en los decantadores tambin se producen otros procesos que afectan al flujo de slidos, como son la sedimentacin floculada y la compresin del fango, que tambin han de quedar bien definidos para poder obtener un modelo de flujo general.

VZS = V0 exp(-nX)

3.1.2.1. Sedimentacin floculada

El efecto de la sedimentacin floculada se considera importante en las capas ms elevadas del decantador, donde la concentracin de slidos es demasiado baja como para que se pueda producir una sedimentacin zonal.

Se ha comprobado (Patry i Takcs, 1992) que en esta zona de bajas concentraciones, la velocidad de sedimentacin aumenta con la concentracin de slidos debido a que el efecto de floculacin es ms importante cuanto mayor sea la concentracin de slidos.

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Esta floculacin se podra explicar como el aumento del tamao medio de las partculas de mayor dimetro debido al arrastre de las partculas de menor dimetro (ms numerosas) que se encuentran por el camino durante la sedimentacin. Este efecto de arrastre se produce por las diferentes velocidades con que sedimentan las partculas discretas en funcin de su tamao.

Por tanto, el efecto de la floculacin ser mayor a medida que aumenta la concentracin de slidos. As, la velocidad de sedimentacin aumentar hasta llegar a un valor mximo de la velocidad de sedimentacin efectiva (VSmax).

Esta velocidad mxima se puede entender como el momento en el que las partculas de mayor dimetro ya han arrastrado a la gran mayora de las de menor dimetro y se ha conseguido un estado de igualdad de dimetros (y por tanto, tambin de velocidades de sedimentacin discreta) entre las partculas que anula el efecto de floculacin anterior. Las concentraciones de slidos para las que se produce este efecto de extincin de la floculacin dependen de las caractersticas del fango, fundamentalmente de la distribucin de tamaos de partcula en los fangos introducidos al decantador y de la facilidad de las partculas para flocular. En la Figura 4 se puede ver la variacin de la velocidad de sedimentacin en funcin de la concentracin del fango.

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

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Teniendo en cuenta estas consideraciones, la expresin general para la velocidad de sedimentacin se puede expresar de la siguiente forma (Takcs et al., 1991):

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

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

Los slidos no sedimentables se pueden obtener en funcin de la fraccin de slidos no sedimentables existentes en el fango (fns) segn la siguiente expresin:

Xmin = fns Xf y por tanto,

X* = X - fns Xf

Segn este modelo global, para obtener la velocidad de sedimentacin de un fango en el

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decantador en funcin de la concentracin de slidos existente en cada zona del mismo, debemos conocer los siguientes parmetros para ese fango:

V0 (m/h): Mxima velocidad de sedimentacin zonal. VSmax (m/h): Mxima velocidad de sedimentacin efectiva. rh (m3/g): Parmetro caracterstico de la sedimentacin zonal. rp (m3/g): Parmetro caracterstico de la sedimentacin floculada. fns : Fraccin no sedimentable de los slidos en la entrada.

3.1.3. Efecto de las zonas de transicin y compresin del fango

El modelo anterior para la velocidad de sedimentacin slo tiene en cuenta el comportamiento de los slidos desde concentraciones muy bajas hasta concentraciones altas donde an se produce una sedimentacin zonal. Por tanto, no representa el comportamiento de los slidos cuando dejan la sedimentacin zonal y el fango comienza a comprimirse por el propio peso de los slidos que van sedimentando.

Este efecto de compresin har que la velocidad de sedimentacin real en las capas inferiores del decantador sea muy inferior a la que se obtendra si la sedimentacin fuera zonal con esa misma concentracin.

Hrtel y Ppel (1992), propusieron una funcin correctora para tener en cuenta este efecto de reduccin de la velocidad de sedimentacin. Esta funcin () solamente debe ser aplicable para las zonas de transicin y compresin que aparecen en las capas ms bajas del decantador. Por lo tanto, para las capas ms elevadas, = 1 mientras que a partir de la zona de transicin, el valor de ir disminuyendo hasta anular la velocidad de sedimentacin en el fondo del decantador (Figura 5).

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Figura 5. Factor de correccin de la sedimentacin para una alimentacin al decantador a 18 m del fondo del decantador. (Hrtel y Ppel, 1992).

Otterpohl y Freund (1992) propusieron la sig