Aerobic digestion processes of sewage sludgeAdvanced tools to optimize sizing and operation.

Resumen

En los últimos años, numerosos diseñadores y explotadores de plantas depuradoras de aguas residuales han centrado su atención en buscar soluciones sostenibles y de bajo coste para la correcta gestión de los lodos urbanos. Muchas de estas medidas consistían en estrategias integrales que buscaban asimismo reducir el impacto de las corrientes de retorno a cabecera de planta en la línea de aguas de la depuradora. Atendiendo a esta creciente preocupación, este trabajo se centra en el estudio de dos soluciones de tratamiento de lodos basadas en sistemas de digestión aerobia (ATAD en una única etapa y Post-aireación) con objeto de optimizar su diseño y obtener pautas concretas para su operación óptima y dimensionamiento a escala real. En el presente trabajo, dichos procesos han sido implementados a escala piloto y posteriormente analizados en base a una serie de balances estacionarios de masa y energía que revelaron detalles y variables relevantes para su operación y dimensionamiento. Asimismo, los resultados experimentales obtenidos se emplearon en la calibración de un modelo matemático dinámico capaz de reproducir tanto el comportamiento biológico como térmico de los procesos objeto de estudio. Sin embargo, para garantizar una reproducción precisa de los resultados experimentales por medio del modelo dinámico, fue necesario desarrollar una metodología de caracterización del fango de entrada a los procesos, que incluye un procedimiento de estimación de la fracción no biodegradable del fango de estudio, así como de su composición. A la vista de lo anterior, se llevaron a cabo una serie de estudios de biodegradabilidad y experimentos ATAD a escala de laboratorio que permitieron no sólo determinar la fracción y composición de la fracción inerte de un determinado fango sino también cuantificar su potencial energético. En base a los resultados de los ensayos, se desarrolló un completo protocolo de caracterización tanto para la fracción biodegradable como no biodegradable de fangos mixtos que permitió una adecuada calibración del modelo dinámico. El modelo calibrado se empleó para un posterior análisis de escenarios en un amplio rango de condiciones de operación. Los resultados de este análisis proporcionaron información relevante para la optimización del diseño y la operación de los procesos objeto de estudio, resultando incluso en el desarrollo de herramientas simples, tales como ábacos, para el diseño a escala real del proceso de Post-aeración. Por otro lado, se ha desarrollado un procedimiento de linealización de modelos dinámicos complejos en base a los balances estacionarios de masa y energía empleados en el análisis de datos experimentales. Aplicando esta metodología fue posible obtener herramientas de cálculo estacionario que proporcionan una descripción precisa de los procesos con un bajo requerimiento de datos. En conclusión, el presente trabajo ha demostrado el potencial de los modelos dinámicos y estacionarios como herramientas avanzadas para la optimización del diseño y la operación de procesos de digestión aerobia.