Modelo matemático de los reactores de digestión de lodos de e.D.A.R

Abstract

Titulo: Modelado matemático de los reactores de digestión de lodos de e.d.a.r Resumen: La tesis presenta el desarrollo, verificación experimental y algunos ejemplos de aplicación de un nuevo modelo matemático para la descripción de los procesos de digestión de los lodos producidos en las estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas (EDAR). El objetivo global de la tesis es el desarrollo de un modelo matemático capaz de describir los procesos de digestión aerobia y anaerobia de los lodos de EDAR. La estructura de este modelo debe facilitar su futura conexión con los modelos matemáticos que reproducen otros procesos unitarios incluidos en las líneas de tratamiento de aguas de las EDAR. Con este fin, se ha utilizado una metodología sistemática de modelado de procesos unitarios que garantiza los balances masicos y de energía tanto en las conexiones entre los diferentes procesos como en todas y cada una de las transformaciones que en ellos tienen lugar. Siguiendo estas pautas metodológicas, el modelo desarrollado incluye y reproduce las principales transformaciones biológicas y físico-químicas que tienen lugar en los reactores de digestión, considerando su efecto en los compuestos presentes, en la temperatura y en el pH, así como el efecto de éstos últimos en la dinámica de las propias transformaciones. Se han determinado los puntos clave de calibración del modelo y se han desarrollado las herramientas informáticas necesarias para su resolución numérica ante condiciones dinámicas. Para el caso de condiciones estacionarias, se ha desarrollado un método de resolución algebraica del modelo que permite simplificar y acelerar la exploración de la respuesta del digestor ante diferentes condiciones de operación así como utilizar técnicas de optimización para seleccionar el diseño más apropiado en cada caso de estudio. El modelo de digestión desarrollado ha sido verificado experimentalmente con resultados de digestores a escala real, piloto y de laboratorio en condiciones aerobias y anaerobias con fango procedente de una EDAR real. Se ha profundizado en los puntos clave para la calibración del modelo desarrollado, que corresponden a la caracterización del fango de alimentación y a la estimación de los parámetros que describen la desintegración inicial del fango. También se han estimado los parámetros necesarios para calibrar el modelo en condiciones aerobias termófilas. Finalmente, se ha realizado un análisis técnico-económico, mediante simulación numérica con el modelo desarrollado, para determinar la mejor alternativa de tratamiento de fango de EDAR en un caso de estudio real. This thesis presents the development, the experimental verification and some examples of how to apply of a new mathematical model that describes the digestion processes of waste sludge produced in urban wastewater treatment plants (wwtp). The global objective of this thesis is the development of a mathematical model capable of describing aerobic and anaerobic wwtp sludge digestion processes. The model structure should facilitate its connections to mathematical models that reproduce other unitary processes included in the water treatment line of the WWTP. With this aim, a systematic methodology for the development of unit process models has been used. This methodology guarantees the continuity between the mass and the charge in the connections between different processes as well as in every transformation that takes place within them. Following these methodological guidelines, the model developed includes and reproduces the main biological, physical and chemical transformations occurring in the digestion reactors, considering their effect on the present compounds, on the temperature and on the pH, as well as the effect of the temperature and the pH on the transformation dynamics. The key points of the model calibration have been determined and the software needed for its numerical resolution under dynamic conditions has been developed. For stationary conditions, an algebraic solution method for the model has been developed in order to simplify and speed up the exploration of the digester output under different operational conditions, and also to allow the application of optimisation techniques to select the optimal design for a given case study. The model developed has been experimentally verified with the results obtained from full scale digesters, pilot plants and laboratory reactors in both aerobic and anaerobic conditions, treating the sludge produced in a real wwtp. The key points of the model calibration have been analysed in depth, estimating carefully the inflow sludge characterisation and the parameters that describe the initial sludge disintegration and hydrolysis. The parameters needed to calibrate the model under thermophilic aerobic conditions have also been estimated. Finally, a technical and economical assessment has been carried out by numeric simulation with the model developed in order to determine the best alternative for the wwtp sludge treatment in a real case study