VALIDACIÓN DEL MÓDULO DE CÁLCULO RCS DEL PROGRAMA SIMTELUC CON DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS EN UN RCS A ESCALA LABORATORIO * Nombre del autor 1 “ MARIA LUISA PEREZ” UNIVERSIDAD DE CARABOBO. Investigadora y coordinadora de diversos trabajos en SBR y en el área de tratamiento de efluentes en industria metalmecánica, papel y alimentos. Consultor independiente, Presidente de Grupo Nueve Ingeniería. Nombre del autor2 ANTONIA CONTRERAS UNIVERSIDAD DE CARABOBO Nombre del autor3 MARIA J. LLOBREGAT UNIVERSIDAD DE CARABOBO Nombre del autor4 AUXILLIA MALLIA UNIVERSIDAD DE CARABOBO Dirección: Urb. Villaserino, calle el paseo, casa G-1, via san Diego. Valencia. Edo Carabobo. Venezuela Tele Fax: 0058-02418912968. e-mail: [email protected]

Tratamiento y Reuso de Aguas Residuales Municipales e Industriales. II-Pérez-Venezuela-2 RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo Validar el módulo de cálculo Reactor Secuencial por Carga (RCS) del programa SIMTELUC, con datos obtenidos experimentalmente en un reactor a escala laboratorio usando un efluente sintético con el fin de comprobar su aplicación en el diseño de estos sistemas. Para realizar la investigación se utilizó un RCS a escala de laboratorio emplazado en las instalaciones de la empresa Diseños Ambientales C.A. Este reactor tiene una capacidad útil de 50 litros y està controlado de forma automática por un programador lógico (PLC), para fijar los tiempos de las secuencias.El programa de computación empleado es el SIMTELUC, disponible en la Unidad de Investigación en Ingeniería de Procesos UIIP) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo. Este programa contiene varios mòdulos de càlculo para diferentes unidades de tratamiento, entre los que se encuentra la unidad que es objeto de esta investigación, la del reactor secuencial por carga.El módulo de cálculo del RCS en el programa SIMTELUC es especifico al cálculo y simulación para la remoción combinada de DBO y nitrógeno y establece condiciones especificas de llenado con aireación y agitación que no pueden ser modificadas por el usuario por lo que no aplica al sistema a escala de laboratorio en estudio, que considera llenado estático. Se realizo una extensión del modulo de calculo SIMTELUC denominado SBR –Escala laboratorio para el calculo y diseño de reactores RCS para remoción de DBO usando las constantes cinéticas experimentales que se valido con datos experimentales.Los resultados obtenidos para el tiempo de reacción aeróbica que arroja el programa de calculo (5,24 horas) presentan una desviación del 5% con respecto al usado en el experimento (5 horas). Al calcular el volumen del reactor con el programa se obtiene un valor de 58,17 litros, mayor que 51,4 litros que es el volumen del reactor que se uso en el experimento, presentando una diferencia por encima de 30% ya que en el calculo de este reactor (Marzana 1.997) no se considera el volumen en bajo. PALABRAS CLAVES: RCS, REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NUTRIENTES, REMOCIÓN BIOLÓGICA DE FÓSFORO, NUTRIENTES, REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL, SBR. 1. INTRODUCCIÓN La normativa legal, cada vez más estricta, que se ha ido implementando a través de los años, al igual que los esfuerzos de las empresas y de las Universidades, han contribuido a mejorar los sistemas de producción y desarrollar tecnologías obteniéndose procesos más limpios y menos contaminantes, así como una diversidad de posibles tratamientos a ser aplicados en los productos de desecho de la cadena productiva. La necesidad de que los procesos sean cada vez más limpios ha hecho que las Universidades se interesen en generar tecnologías nuevas en lo que se refiere a formas de tratamiento mediante el estudio de sistemas de tratamiento; sistemas de control, diseño y desarrollo programas de simulación mediante computadora, que modelan el comportamiento de diferentes unidades de tratamiento. De allí el interés en la Universidad de Carabobo por el desarrollo de este tipo de programas, así como su aplicación y validación con datos tanto de la industria como de Laboratorio. En la actualidad en la Escuela de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo, se desarrolla un simulador de procesos de tratamiento llamado SIMTELUC, de gran importancia para el estudio y la optimización de los procesos en las diferentes áreas de tratamiento de aguas residuales, que

pretende abarcar todas las unidades que se pueden encontrar en los sistemas de depuración. El objetivo de este trabajo consiste entonces en validar uno de los módulos de cálculo más importante, como es el que corresponde al Reactor Secuencial por Carga (RCS) del programa SIMTELUC por disponer muy poca información del comportamiento y diseño en Venezuela e inclusive a nivel mundial. Para ello se utilizarán datos obtenidos experimentalmente en un reactor a escala laboratorio usando un efluente sintético con el fin de comprobar su aplicación en el diseño de estos sistemas.

2.

SIMULACIÓN DE PROCESOS CON EL PROGRAMA SIMTELUC

La simulación de procesos industriales ha tenido un avance notorio en las últimas décadas, mediante ésta se realiza la representación de valores reales para las variables de operación que caracterizan un proceso, obtenidos mediante cálculos que son ejecutados en un computador a través de un conjunto de subprogramas escritos en un lenguaje simbólico. El programa SIMTELUC es la integración de SIMTELUC 1.0.exe el cual proporciona la interface gráfica realizada en Visual Basic que facilita el manejo del usuario y SIMTELUC.exe realizado en Visual Fortran, que se encarga de realizar los cálculos correspondientes a cada unidad. La unidad de RCS, es un módulo de cálculo creado para el simulador SIMTELUC versión 1.0, elaborado con el objetivo de remover DBO5 y nutrientes, como nitrógeno y fósforo, de la corriente de agua residual de entrada a partir del tipo de tratamiento, similar al lodo activado, RCS. Para el programa SIMTELUC la unidad de cálculo, RCS es un subprograma ejecutable por el computador cada vez que él es llamado. Este módulo se encarga de realizar la simulación y/o el diseño, dependiendo de las necesidades del usuario, esto se logra a través de la resolución numérica del conjunto de ecuaciones, de acuerdo a las exigencias del caso, presentadas en el capítulo anterior. 2.1.

MODELAMIENTO DE SISTEMAS RCS

En términos asociados a la cinética de reacción, todas las investigaciones y la historia de operación de reactores de Iodos activados ha sido exitosamente modelada por ecuaciones de tipo Monod. En particular, el modelo ya clásico del IAWPRC- de amplía utilización en reactores de Iodos activos (tanto rápidos como de aireación extendida, discos rotatorios, carruseles, etc).Este modelo no ha resultado del todo adecuado para reactores RCS, debido a la secreción de metabolitos intermediarios, que aportan demanda de oxígeno (medida indistintamente como DBO5 o como DQO). Las anomalías respecto del modelo se deben (probablemente) a las reacciones bioquímicas asociadas a la digestión de productos intracelulares mantenidos como reserva, durante los períodos anóxicos, en este sentido, el trabajo de Ibrahim y Abasaeed las discusiones asociadas al comportamiento de la demanda de oxígeno en reactores RCS y propone un modelo matemático, bastante exitoso, para modelar la dinámica y obtener predicciones de DQO y sólidos en el efluente tratado de un reactor RCS, Este modelo no incorpora la etapa de sedimentación ni las de descarga de Iodos y efluente tratado (es decir, modela carga y reacción a reactor lleno). El modelo dinámico de lbrahim utiliza una docena de valores iníciales y una decena de parámetros, de modo que aparece como con un excesivo número de grados de libertad que podría ajustarse a cualquier resultado experimental pero poco útil para diseño. Es, naturalmente, posible utilizar modelos dinámicos más convencionales y con menos grados de libertad. De hecho, las etapas en reacción pueden ser modeladas mediante cinéticas del tipo Monod, igual a las utilizadas para Iodos activos. Las etapas de decantación estática y sedimentación con descarga, por otra parte, pueden ser resueltas por ecuaciones de balance y ecuaciones lineales.En todo caso, el diseño de reactores RCS, al igual que para otros reactores de Iodos activos, no se realiza en condiciones dinámicas sino que en estado de operación, en ciclos definidos y mediante variables empíricas globales que permitan, posteriormente, operar el sistema en el punto seleccionado.

3.

RESULTADOS

3.1

REVISIÓN DEL PROGRAMA SIMTELUC

Se realizó la revisión del módulo de cálculo RCS del programa SIMTELUC, tanto de la programación en Fortran como en Visual Basic. Se ubicaron los archivos que contienen las formulaciones de cálculo para diseño y simulación así como los archivos de entrada y salida necesarios para efectuar el cálculo. Al

revisar el módulo SIMTELUC para RCS se encontró que este programa es especifico al cálculo y simulación para condiciones específicas de secuencias de llenado donde se incluyen operaciones de aireación, agitación y aireación-agitación en forma conjunta y no existe una alternativa de considerar un llenado estático o instantáneo. Cuando se hace el cálculo de los tiempos de cada una de las zonas de llenado estático, con mezcla sin aireación y mezcla aireada se realiza en base a porcentajes teóricos y no se considera su implicación en la variación de las concentraciones iniciales del sustrato (materia orgánica o DBO, Nitrógeno). 3.2

OBTENCIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES

De acuerdo a la metodología establecida en el trabajo inicialmente se cargo lodo biológico y durante un mes se espero la aclimatación de los lodos obteniéndose un lodo sano de color marrón achocolatado, con buenas características de sedimentación tal como lo señala Pérez, (2003); Se realizaron 4 ciclos por día siguiendo las secuencias de 6 horas en cuatro etapas usadas por Mallia y Dautant (2001), y Pérez (2003) para la remoción de Nitrógeno en este mismo reactor: alimentación (30 segundos) ↓ anóxicaanaeróbica(2 horas) ↓ aeróbica (3 horas) ↓ Sedimentación (1 hora) ↓ descarga (45 segundos). Los resultados obtenidos usando cargas de 14.6 litros por ciclo, para un total de caudal alimentado de 58.4 L/día, con un volumen útil de 51.2 litros, obtenidos al llenar el reactor hasta una altura útil de 54.8 cms se señalan en la tabla 1. En esta etapa del trabajo se obtuvieron los datos experimentales para la remoción de materia orgánica y nitrógeno en el RCS a escala laboratorio y con ellos se realizó la validación del módulo de cálculo. Posteriormente debido a que el programa no es adecuado a las condiciones usadas en el RCS a escala laboratorio por que no permite la modificación de tiempos de llenado, se opero el RCS de tal manera de realizar un ajuste del programa SIMTELUC, en la obtención de constantes cinéticas específicas al diseño de estos sistemas para la eliminación de materia orgánica. A continuación se presentan dichos resultados. TABLA1. Datos Obtenidos durante la operación del reactor RCS para remoción de DBO y nitrógeno. DESCRIPCIÓN ALIMENTACIÓN O AFLUENTE Q (l/s) DBO (mg/l) NH3 como N (mg/l) NO2 como N (mg/l) NO3 como N (mg/l) DESCARGA O EFLUENTE DBO (mg/l) NH3 como N (mg/l) NO2 como N (mg/l) NO3 como N (mg/l) REACTOR: ETAPA REACCIÓN SSV (mg/l) Ssed (ml/l) Porcentaje de lodo en el reactor (%) Oxígeno Disuelto (mg/L) pH

3.3

Sem5

Sem6

Sem7

Sem8

Sem9

PROMEDIO

58,4 205 21,2 3,9 N.D.

58,4 225 18,3 4,2 N.D.

58,4 210 15,4 3,8 N.D.

58,4 216 16,5 5,5 N.D.

58,4 218 18,6 4,2 N.D.

58,4 215 18,0 4,3 -

7 0,5 8,7 0,05

5 0,8 6,9 0,1

10 1,1 7,1 0,08

12 1 9,4 0,06

5 0,7 8,9 0,07

8 0,8 8,2 0,072

1800 250 17 4 7

2200 250 18 3,8 7

2150 225 16 4,2 7

2200 230 18 4,3 7

2400 235 17 4,5 7

2150 238 17 4,2

OBTENCIÓN DE DATOS PARA CÁLCULOS DE CONSTANTES CINÉTICAS

Se usaron igualmente los ciclos de 6 horas tal como lo han venido trabajando, Pérez y colaboradores (1997), Mallia y Dautant (2001), Laya (2003) en la remoción de DBO usando la misma secuencia empleada por estos autores: Alimentación (30 segundos) ↓ aeróbica (5 horas) ↓ Sedimentación (1 hora) ↓ descarga (45 segundos).

TABLA 2. Datos obtenidos durante la operación del reactor RCS a escala laboratorio para remoción de DBO. Sem 11 403 12 2650 70 15 60 0,85 32

DBO en la alimentación, So (mg/l) DBO en la descarga S (mg/l) SSVLM en el reactor, X (mg/l) SSVLM en el efluente, Xd (mg/l) Volumen de llenado (L/ciclo) Caudal efluente, Q (L/día) Tiempo de retención hidráulico día) Tiempo retención celular c (día)

6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 0,03

Sem 13 450 20 2743 74 20 80 0,64 24

0,0700

430 25 2557 69 25 100 0,51 19

Sem 14 427 30 2636 75 30 120 0,43 15

REPRESENT ACIÓ N GR AFICA DE LA R ELACIÓ N 1/ρ ρ c v s (So-S)/X ρ !!!!!!!!!!!!!!!!! PARA LA O BT ENCIÓ N DE Y y Kd

0,0600

y = 58,661x + 0,9521 R 2 = 0,9898 1/Ρ c

1

XQ/(So-s)(d- )

REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LA RELACIÓN XQ/(So-s) Vs 1/S PARA LA O BTENCIÓN DE Ks y K

Sem 12

0,0500

y = 0,191x - 0,004 2

R = 0,972 0,0400 0,0300

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,0200 0,14

0,19

0,24

0,29

0,34

0,39

(So-S)/(x *ρ ρ)

1/S (mg/l-1 )

FIGURA 1. Determinación de los coeficientes cinéticos Ks y K; Y y Kd a partir de los datos obtenidos en el laboratorio Sustituyendo las variables por los parámetros de estudio, la ecuación de la recta quedaría de la forma siguiente:

X ∝ρ 1 > 61,61  , 1,05 So . S S

y

1  So . S  > 0,191  . 0,004 ρC  Xρ  2

Los valores obtenidos para el coeficiente de correlación R indican un alta linealidad, por lo que puede considerarse que los resultados son confiables. 3.4

OBTENCIÓN DE DATOS CON EL REACTOR RCS PARA VALIDACIÓN

Se presentan los datos obtenidos experimentalmente para validar la extensión del modelo SIMTELUC para remoción de DBO. Se uso el mismo efluente sintético que simula un agua residual doméstica con DBO fija de 200 mg/l tratado en el RCS a escala laboratorio con ciclos de 6 horas TABLA 3. Datos obtenidos durante la operación del reactor RCS a escala laboratorio para remoción de DBO durante las semanas 15-18. Sem 15

DBO en la alimentación, So (mg/l) DBO en la descarga S (mg/l) SSVT en el reactor, X (mg/l) SSVLM en el reactor, X (mg/l) SVLM en el efluente, Xd (mg/l) Volumen de llenado (L/ciclo) Caudal efluente, Q (L/día) Tiempo de retención hidráulico día) Tiempo retención celular c día Carga Volumétrica (Kg/m3.d) F/M (d-1)

Sem 16 198 6 2005 1850 25 15 58,4 1,14 65 PARAMETROS OPERACIÓN 0,22 0,11

Sem 17 200 8 2550 2150 28 15 58,4 1,14 67 REACTOR 0,22 0,09

Sem 18

PROMEDIO

185 6 2375 2030 24 15 58,4 1,14 74

212 5 2636 2225 33 15 58,4 1,14 59

199 6 2392 2064 28 15 58,4 1,14 66

0,20 0,09

0,24 0,09

0,22 0,09

Basado en los resultados anteriores y en las formulaciones típicas para el calculo de estos reactores se construyó el modulo de calculo denominado SBR- Escala Laboratorio. Igualmente basados en los resultados obtenidos para las constantes cinéticas y los valores experimentales obtenidos durante las semanas 5-9 y 11-15 se construyeron curvas experimentales para la obtención de valores de los sólidos suspendidos volátiles y Vs, para luego realizar cálculos teóricos partiendo de estos valores.

3.5

EJECUCION DEL MÓDULO DE CÁLCULO RCS CON EL PROGRAMA SIMTELUC

Para cumplir este objetivo se corrió el programa SIMTELUC con los valores obtenidos a escala de laboratorio presentados en la Tabla 1. Estos datos tal como se despliegan en la pantalla del computador al introducirlos en el Programa SIMTELUC, módulo para SBR, se presentan en la Figura 1.

Figura 1. Datos de entrada y salida obtenidos en la simulación con el módulo de cálculo SIMTELUC para reactores SBR, usando los datos obtenidos en el reactor a escala laboratorio Como se señaló en el punto 2.1 hay consideraciones específicas que no permiten alternativas de adaptación con tiempo de llenado estático tal como es el caso del diseño del RCS a escala laboratorio evaluado, por lo que al introducir los datos se obtuvieron valores negativos, como puede observarse en la Figura 1.

3.6

AJUSTES REALIZADOS AL MÓDULO DE CÁLCULO SBR DEL PROGRAMA SIMTELUC

Se hizo necesario realizar un módulo de cálculo nuevo que contemplase la posibilidad de modificar los tiempos de duración de las etapas del reactor. El nuevo módulo de cálculo se denominó SBR- Escala Laboratorio, para mantener la nomenclatura del programa SIMTELUC, y se accede a él mediante la ventana mostrada en la figura 2 (izquierda). Una vez seleccionado el módulo se procede a introducir los datos con los que se efectúa el cálculo, datos procedentes del los promedios mostrados en la tabla 2, obtenidos con el reactor RCS estudiado, la pantalla se puede observar en la figura 2 (derecha). A partir de los valores de la DBO de entrada, y con las constantes cinéticas se procede a calcular, los SSVLM (SSVLM =2,2077*DBO +1702,5 ), la carga volumétrica (Vs = 0,0009*DBO – 0,1568). La pantalla que despliega el programa se muestra en la figura 3 (izquierda)

Figura 2. (Izquierda)Selección del módulo de cálculo a utilizar. (Derecha) Ventana de introducción de los datos en el nuevo módulo

Figura 3. (izquierda) Valores calculados de la carga volumétrica y de los sólidos suspendidos totales. (Derecha) Resultados obtenidos Con estos valores el programa basado en las formulaciones de diseño establecida para reactores secuencial, despliega los tiempos de cada etapa tal como se observan en la figura 3 (derecha). Luego se obtienen los resultados, una vez introducidos los valores del tiempo de descarga y del tiempo de sedimentación, que son valores introducidos por el usuario, ya que dependen de las características hidráulicas del sistema y el régimen de sedimentación especifico al efluente y sistemas de tratamiento seleccionado, por los que ambos son fijados por el usuario o diseñador. Los resultados obtenidos para el tiempo de reacción aeróbica que arroja el programa de cálculo (5,24 horas) presentan una desviación del 5% con respecto al usado en el experimento (5 horas), que se considera un valor aceptable. Por ello al calcular el volumen del reactor con el programa se obtiene un valor de 67,23 litros, mayor que 51,4 litros que es el volumen del reactor que se uso en el experimento, presentando una diferencia por encima de 30%. Es importante hacer notar que en el cálculo de este reactor (ver Marzana 1.997) no se considera el volumen requerido retenido necesario para disponer de la biomasa o Vro, volumen del reactor en bajo. En un calculo para un sistema a escala de planta esto no debe despreciarse y por ello es importante este volumen adicional. También debe destacarse que el tiempo de llenado y descarga considerados en el modulo de calculo no deberían arrojar valores comparables ya que para calcularlos se usaron formulaciones, en el caso del reactor experimental estos tiempos se asumieron y fueron de 30 segundos para la alimentación y para la descarga 45 segundos.

4.

CONCLUSIONES

1. El modulo de cálculo del RCS en el programa SIMTELUC es específico al calculo y simulación para remoción combinada de DBO y nitrógeno y establece condiciones específicas de llenado con aireación y agitación que no pueden ser modificadas por el usuario, no existiendo alternativas de llenados sin estas operaciones por lo que no aplica al sistema a escala de laboratorio en estudio que considera llenado estático. 2. El programa SIMTELUC no considera el cálculo de los tiempos de reacción de acuerdo a variaciones cinéticas que ocurren en los diferentes parámetros de entrada tales como: concentración de materia orgánica (DBO) y nitrógeno. 3. Se realizo la determinación experimental del comportamiento del RCS para remoción de Nitrógeno y DBO que al no ser adecuados para el modulo de calculo SIMTELUC arrojo una oportunidad de mejora que considero el estudio y validación para el caso específico de remoción de DBO incluyendo el estudio del comportamiento cinético. 4. Los valores obtenidos en la parte experimental de remoción de Nitrógeno y fósforo al compararlos con los obtenidos por Pérez (2003) confirman un patrón de comportamiento similar que aportan datos confiables para el diseño de estos reactores en la remoción conjunta de DBO y Nitrógeno en ciclos de 6 horas con secuencias: alimentación (30 segundos) ↓ anóxica-anaeróbica(2 horas) ↓ aeróbica (3 horas) ↓ Sedimentación (1 hora) ↓ descarga (45 segundos). 5. Se establecieron las constantes cinéticas para la remoción de DBO: K =1.05 d-1, Ks = 61.61 mg/l; Kd -1 = 0,004 d y Y =0,191, con los valores obtenidos de Laya para este sistema en condiciones similares se comienza a establecer rangos operativos para estos parámetros cinéticos no investigados anteriormente en Venezuela, siendo la Universidad de Carabobo pionera en esta investigación. 6. Se realizo una extensión del modulo de calculo SIMTELUC denominado SBR –Escala laboratorio para el calculo y diseño de reactores RCS para remoción de DBO usando las constantes cinéticas experimentales que se valido con datos experimentales. 7. El tiempo de llenado y descarga considerados en el modulo de calculo no arrojan valores comparables ya que para calcularlos se usaron formulaciones, en el caso del reactor experimental estos tiempos se asumieron y fueron de 30 segundos para la alimentación y para la descarga 45 segundos. 8. El hecho de haber establecido formulaciones y un programa para el calculo de estos sistemas muy novedosos con apenas 10 años de estudio KETCHUM (1.997) es un aporte valioso al diseñador de estos sistemas y el hecho de ser justificado con estudios experimentales constituye una herramienta que aporta facilidades al campo de estudio del tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el caso investigado.

5.

RECOMENDACIONES

Las principales recomendaciones a considerar en futuras investigaciones que se llegaron con este trabajo son las siguientes:





6.

Realizar el estudio contemplando la remoción simultánea de DBO y nitrógeno. Realizar estudios que definan condiciones experimentales para sustratos de aguas domésticas y/o efluentes industriales. Efectuar la validación del programa SIMTELUC, con un efluente residual de aguas domésticas o industrial Realizar estudios cinéticos de sistemas para remoción de fósforo y Nitrógeno y remoción combinada de estos nutrientes para asi establecer módulos de calculo con configuraciones mas complejas para remoción de nutrientes.

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