New heat transfer and operating cost models for the Plant-Wide simulation of full-scale WWTPs.

Resumen

El principal objetivo de esta tesis ha sido el de desarrollar y validar un procedimiento riguroso y sistemático para construir modelos matemáticos que describan las transferencias de calor y los costes operacionales en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs). Con el fin de lograr este objetivo, la tesis presenta una nueva metodología de modelado para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las reacciones bioquímicas, químicas y físico-químicas en cualquier unidad. La metodología se basa en la estimación del calor de reacción de cada fase (líquida, sólida o gaseosa) mediante las entalpias de formación de los componentes del modelo y aplicando la Ley de Hess. La detallada caracterización de los componentes que ofrece la metodología Plant-Wide Modelling (PWM), permite la estimación de las entalpías de formación de cada componente del modelo, y hace posible un cálculo sistemático y dinámico del calor liberado o absorbido por cada transformación, garantizando en todo momento la continuidad de energía calorífica en paralelo con la continuidad de masa en cualquier punto de la planta. Esta metodología ha sido incorporada a un completo y genérico modelo de transferencias de calor para la predicción de la temperatura de cualquier fase (líquida, sólida o gaseosa) presente en las unidades de proceso. En lo que respecta a los modelos de costes de operación, la tesis presenta una amplia librería de modelos de actuadores basados en ecuaciones ingenieriles. La utilización de expresiones ingenieriles ha permitido tener una estimación más detallada y realista de los costes operacionales, por el hecho de estar éstos asociados a variables operacionales de proceso (caudales, entalpías de reacción, concentración de sólidos, etc.). Los modelos de transferencias de calor y los modelos de costes operacionales desarrollados en esta tesis, junto con el modelo físico-químico desarrollado por Lizarralde et al., (2015) han servido para actualizar la metodología Ceit-IK4 PWM, a una nueva versión de la metodología denominada Extended Plant-Wide Modelling (E-PWM). La metodología de modelado desarrollada para el cálculo de las variaciones de calor producidas por las transformaciones ha sido validada mediante una comparación con datos experimentales y teóricos bibliográficos. Mientras que la verificación de la capacidad predictiva del modelo de transferencias de calor se ha llevado a cabo mediante la simulación del comportamiento dinámico de un digestor aerobio termófilo auto-sostenido (ATAD). Para testear la utilidad y aplicabilidad del modelo térmico global, se han realizado dos estudios por simulación, uno de ellos en el mismo reactor ATAD y otro en una planta global de referencia (BSM2). Con el objetivo de mostrar el potencial de la librería, se han comparado tres plantas evolutivas desde un punto de vista técnico-económico. Las configuraciones seleccionados han sido: (1) una EDAR convencional basada en una versión modificada del modelo de simulación de referencia No. 2 (BSM2), (2) una versión mejorada o reequipada de la EDAR convencional, y (3) un nuevo concepto de planta denominado EDAR con desacople de C/N/P. Posteriormente, la tesis presenta tres casos de estudio realizados en plantas de tratamiento de aguas residuales a escala real con el objetivo de mostrar la utilidad de las librerías de modelos adaptadas y flexibles frente a optimizaciones de plantas a gran escala, como es el caso de la librería de modelos PWM. La exposición finaliza con un capítulo dedicado a las conclusiones más significativas, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria, como por ejemplo la descripción detallada de los modelos y la caracterización de los componentes del modelo.