New mass-based population balance model including shear rate effectsapplication to struvite recovery

Resumen

La precipitación de estruvita (MgNH4PO4·6H2O) es una solución prometedora para la recuperación de fósforo en estaciones depuradoras de aguas residuales. La precipitación controlada de estruvita puede ayudar a reducir la eutrofización provocada por los vertidos de la depuradora, combatir la escasez global de fósforo y reducir los problemas operacionales generados por la precipitación incontrolada del mineral en las tuberías. Debido al interés generado, la descripción del proceso de precipitación ya se ha incluido en las librerías de modelado de tratamiento de aguas residuales existentes. Sin embargo, siguiendo el enfoque clásico de modelado de tratamiento de aguas residuales, el proceso se ha incluido generalmente con una cinética de un solo paso. Este hecho limita el uso del modelo matemático para fines de diseño y optimización de tecnologías, ya que no se consideran ni los mecanismos de precipitación ni la distribución del tamaño de partícula, siendo ésta una variable clave en el desempeño de la estruvita como fertilizante. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis ha sido mejorar los modelos cinéticos de un paso existentes mediante el desarrollo de un modelo matemático que describe en detalle los mecanismos que ocurren en la precipitación de estruvita para poder predecir la distribución del tamaño de partícula resultante. Este modelo es un modelo de balance poblacional en el que se han considerado efectos hidrodinámicos. El modelo de balance poblacional se ha construido siguiendo la metodología de modelado integral de planta (‘Plant Wide Model’) de Ceit, garantizando el balance de masa y carga. Por lo tanto, se puede combinar con la simulación de otros procesos que ocurren en las estaciones depuradoras de aguas residuales de una manera sistemática y sencilla. Un análisis de sensibilidad y colinealidad realizado en la tesis, demostró que el modelo es coherente en su estructura y válido para representar procesos de precipitación de estruvita. Para incorporar los efectos hidrodinámicos al modelo, se utilizaron los resultados obtenidos en una campaña experimental donde se analizó la precipitación de estruvita bajo diferentes intensidades de agitación y grado de saturación. Los resultados obtenidos mostraron que una mayor intensidad de agitación podría estar relacionada con una caída más rápida del pH, un aumento del número de partículas y un menor tamaño medio de las partículas obtenidas. Estos efectos se incluyeron en el modelo de balance de población utilizando una metodología de calibración basada en inferencia bayesiana. A partir de la metodología de calibración, se propusieron nuevas leyes cinéticas para la nucleación y el crecimiento de la estruvita, donde el efecto de la hidrodinámica está desacoplado al incluir explícitamente la cizalladura como una variable de proceso.