Aplicacion Del Modelo Iwa Adm1 Al Modelaje y Simulacion Del Tratamiento Anaerobio de Efluentes Industriales de Matadero

7/25/2019 Aplicacion Del Modelo Iwa Adm1 Al Modelaje y Simulacion Del Tratamiento Anaerobio de Efluentes Industriales de Matadero

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRSFACULTAD DE INGENIERA

Carrera de Ingeniera Qumica

Resumen de Proyecto de Grado

APLICACIN DEL MODELO IWA ADM1 AL MODELAJEY SIMULACIN DEL TRATAMIENTO ANAEROBIO DE

EFLUENTES INDUSTRIALES DE MATADERO

Presentado por: Juan Jos Sossa LedezmaTutor: Ing. Ph.D. Ren lvarez Apaza

Mayo, 2014La PazBolivia


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APLICACIN DEL MODELO IWA ADM1 AL MODELAJE Y SIMULACIN DELTRATAMIENTO ANAEROBIO DE EFLUENTES INDUSTRIALES DE MATADERO

1.INTRODUCCIN

El Matadero Municipal de la ciudad de La Paz (MMLP), el cual trata solamente carne vacuna, se encuentraubicado en la zona de Achachicala, a una altitud aproximada de 3650 m.s.n.m., emite diariamente efluenteslquidos, los cuales estn compuestos principalmente por estircol, sangre, rumen, orina y grasas, esto genera un

problema de contaminacin ambiental, debido a que la concentracin del efluente es sumamente alta respecto alvalor permitido por la normativa ambiental vigente. Actualmente cuenta con un sistema de tratamiento fsico desus efluentes, el cual consiste en un tanque de sedimentacin, este tipo de proceso no satisface las necesidades detratamiento que se requiere. Para resolver este problema se tiene la necesidad urgente de implementar un sistemacapaz de remover la materia orgnica biodegradable, como por ejemplo un proceso de tratamiento biolgico.

De los diferentes tipos de tratamiento biolgico disponibles, el de tipo anaerobio se muestra como el msatractivo debido a que solo entre un 5 a 10% de la materia orgnica alimentada es convertida en lodo y entre un70 a 90% es convertida en biogs (Chernicharo, 2007). Sin embargo, existen diferentes tipos de reactores que

pueden realizar este tipo de tratamiento. El reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB por sus siglas en ingls)se constituye en la principal alternativa debido a los buenos resultados obtenidos en el proceso de tratamiento deefluentes de matadero. El porcentaje de remocin de materia orgnica alcanza entre un 79 y 87% (Caldera, et al.,2003, Ersahin, et al., 2011, Powar, et al., 2013). Es por eso que se ha seleccionado este tipo de reactor para llevara cabo la degradacin anaerobica de los efluentes de matadero.

El modelaje y la simulacin matemtica de procesos es una herramienta que nos permite disear, escalar,controlar y optimizar los procesos qumicos (Rasmuson, et al. 2014), evitandonos el trabajo de realizar pruebas aescala de planta piloto. Existen diferentes factores operacionales tales como: tiempo de retencin hidrulica,carga orgnica, temperatura, pH, etc.; los cuales juegan un papel importante en el desempeo de un sistemaUASB, debido a que la variacin de stos puede repercutir en el porcentaje de remocin de materia orgnica o en

el flujo y concentracin del biogs producido, se hace necesario, antes de la implementacin del sistema a escalareal, simular el proceso de tratamiento para evaluar su comportamiento y disear la estrategia de instalacin msapropiada, esto nos ahorrar tiempo, esfuerzo y dinero.

El Modelo de Digestin Anaerobia No.1 (ADM1 por sus siglas en ingls), publicado el ao 2002 por el grupo detrabajo de modelacin matemtica de procesos anaerbicos de la Asociacin Internacional del Agua (IWA), es unmodelo cintico estructurado genrico que incluye la descripcin de los procesos bioqumicos y fisicoqumicosimplicados en el proceso de digestin anaerobia (Batstone, et al., 2002), cuya aplicacin en el tratamiento desustratos de distinta naturaleza en diferentes clases de reactores y varias condiciones de operacin ha reportadoresultados satisfactorios (Rivera Salvador, et al., 2009).

En el presente trabajo se aplica el modelo ADM1 para simular el tratamiento anaerobio de los efluentes

industriales de matadero, para ello es necesario realizar ajustes a los distintos parmetros del modelo para sucorrecta aplicacin bajo las condiciones naturales de La Paz. Para la validacin del modelo, como sistemaexperimental, se utilizar un reactor UASB diseado a escala de laboratorio. El trabajo experimental se realiza enel Laboratorio de Digestin Anaerbia I y el proceso de modelacin y simulacin se realiza en el Centro deModelaje, Simulacin y Clculo Computacional, ambos ambientes se encuentran en el IIDEPROQ.


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2.OBJETIVOS

2.1.Objetivo General

Modelar y simular el proceso de tratamiento anaerobio de efluentes industriales del MataderoMunicipal de La Paz aplicando el modelo ADM1.

2.2.

Objetivos Especficos

Poner en funcionamiento el reactor UASB que nos servir como sistema experimental para lavalidacin del modelo, el cual se encuentra en el laboratorio de digestin anaerobia del IIDEPROQ.

Plantear el modelo fisicoqumico y biolgico del proceso de digestin anaerobia aplicando el modeloADM1.

Resolver el sistema de ecuaciones diferenciales formado a partir del modelo matemtico empleandoun algoritmo adecuado.

Validar el modelo matemtico mediante la comparacin entre los resultados experimentales y los del

modelo matemtico. Ajustar los valores de los parmetros que el ADM1 requiere para la validacin.

Simular el proceso de digestin anaerobia con volmenes de carga iguales a los emitidos por elMMLP, evaluar el volumen y concentracin de biogs producido as como tambin calcular laremocin de materia orgnica.

3.METODOLOGA

3.1.Modelo Matemtico

3.1.1.Descripcin del Modelo Matemtico

El ADM1, representa los sustratos complejos a partir sus principales componentes (carbohidratos, protenas,

azcares, aminocidos, cidos grasos de cadena larga, cidos grasos voltiles, aniones y cationes). El modelotoma en cuenta los fenmenos bioqumicos y fisicoqumicos que ocurren en el proceso de degradacinanaerbica, tanto en la fase lquida como en la fase gaseosa. Una representacin esquemtica del modelo engeneral, el cual se encuentra dividido en dos sistemas, se presenta en la Figura 3-1.

Respecto a los procesos bioqumicos que son tomados en cuenta por el modelo, tenemos: desintegracin (etapaextracelular), hidrlisis, acidognesis, acetognesis, metanognesis y muerte celular. En total son 19 procesos quedescriben el sistema bioqumico. En el caso de la desintegracin y la muerte celular se toman cinticas de primerorden, la ecuacin de Monod es utilizada para describir el consumo de los compuestos solubles, debido a la

presencia de compuestos que inhiben el crecimiento bacteriano, se incluyen tambin la inhibicin no competitiva(para la inhibicin por hidrgeno y amoniaco), el consumo competitivo (para la competencia entre butirato yvalerato) y la inhibicin por pH. El mecanismo de reaccin propuesto por el modelo se muestra en la Figura 3-2.

El sistema fisicoqumico describe los procesos disociacin inica de los diferentes compuestos qumicos que seencuentran en solucin, esto con el objetivo de simular el equilibrio qumico de la fase lquida para determinar el

pH. Tambin se incluye el proceso de transferencia de materia entre la fase lquida y la fase gaseosa de ciertoscompuestos, tales como: H2, CH4y el CO2.


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Figura 3-1.Representacin esquemtica del proceso de digestin anaerbica descrito por el ADM1.(Tomado de Batstone, et al., 2002)

Figura 3-2.Mecanismo de reaccin utilizado en el sistema bioqumico del modelo ADM1.(Tomado de Batstone, et al., 2002)

Protenas

Carbohidratos

Grasas

AA MS

HAc, HPr, Hbu, Hva, CO2, NH3, LCFA Ac-, Pr-, Bu-, Va-, HCO3-, NH4+, LCFA-

HAc H2

CH4

NH3 NH4+CO2 HCO3-

Gas H2O

Gas

Sustrato

Complejo

Muerte

Celular

Inertes

Lquido

MicroorganismosLquido

ReaccionesIrreversibles(SistemaBioqumico)

Reacciones Reversibles (Sistema Fisicoqumico)

CO2

CH4

H2OH2

Gas

CARBOHIDRATOS PROTENAS LPIDOS

AZCARES AMINOCIDOSCIDOS GRASOS DE

CADENA LARGA

PROPIONATOVALERATOBUTIRATO

ACETATO HIDRGENO

METANODIXIDO DE CARBONO

EFLUENTE PARTICULADOCOMPLEJO Y BIOMASA INACTIVA

1 2

PARTCULASINERTES

INERTES SOLUBLES

3

45

6 7 Muerte Celular|

1 Acidognesis de azcares

2 Acidognesis de aminocidos

3 Acetognesis de cidos grasos de cadena larga

4 Acetognesis del propionato

5 Acetognesis del butirato y valerato

6 Metanognesis acetoclstica7 Metanognesis hidrogenotrfica


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El modelo puede ser implementado tanto como un sistema de ecuaciones diferencial-algebraico o como unsistema de ecuaciones diferenciales. El sistema diferencial-algebraico cuenta con 26 variables de estado. Encambio el sistema diferencial cuenta con 32 variables dinmicas de estado.

3.1.2.Aplicacin del ADM1

Para ejemplificar el funcionamiento del modelo se utiliza un reactor CSTR con un volumen lquido y una fase

gaseosa en la parte superior, debido a que el reactor est completamente agitado ( , vase Figura 3-3).En este digestor - = Concentracin de la biomasa;

Figura 3-3.Esquema de un digestor tpico (Batstone, et al., 2002).

(a) Fase Lquida

(1)

(2)

Dnde: = concentracin de cada componente soluble (sustrato y productos) = variable de estado. = Concentracin de la biomasa = variable de estado . Suma de las velocidades cinticas para los j procesos multiplicado por Coeficiente de estequiomtrico para el componente i sobre el proceso j

(b) Equilibrio Inico. Simulacin del pH

Los valores de pH son determinados a partir de la siguiente ecuacin:

[] (3)

Las ecuaciones de velocidad de los iones son:

(4)


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El balance de carga de la fase lquida es:

Para evaluar la concentracin de hidrogeniones se define la variable , la cual agrupa a todos los iones que seencuentran en solucin (Newton, 1998, Boubaker, 2008):

(5)

Por lo tanto, el valor de la concentracin de hidrogeniones es:

(6)

(c) Fase Gaseosa

Los tres componentes gaseosos modelados por el ADM1 son: hidrgeno, metano y dixido de carbono, se asumeque todos los gases tiene comportamiento ideal y se encuentran a la misma temperatura que la fase lquida y a

i :

(7)

( ) (8)Dnde:

= flujo de gas (l/dia)= Volumen de la fase lquida del reactor (l)= Volumen de la fase gaseosa del reactor (l)

i (/) = Velocidad especfica de transferencia de masa (g COD l-1d-1)= Es el coeficiente volumtrico de transferencia de masa (d-1)= Coeficiente de Henry (M bar -1) E i E i y .

3.2.Mtodos y Materiales

3.2.1.Caracterizacin del Efluente

El Matadero Municipal de La Paz, se encuentra dividido en dos secciones: (1) La sala de faeneo, donde, enpromedio, se sacrifican 1700 reses por mes. (2) La sala de mondonguera, que se ocupa de tratar todas lasvsceras extradas de la res. Los sistemas de desage de cada seccin confluyen, as el efluente descargado es lasuma de ambas secciones. El consumo de agua es muy elevado debido a que, mensualmente, se descargan 1545m3/mes de agua. El efluente a ser tratado tiene una temperatura promedio de 14 C, pH de 8.22 y un caudal de1.08 m3/h (GREENCON, 2012), su caracterizacin se muestra en la Tabla 3-1.


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Tabla 3-1.Composicin del efluente industrial emitido por el MataderoMunicipal de La Paz (GREENCON, 2012).

Parmetro Unidad Punto de descargaAceites y grasas mg/l 14Alcalinidad total mg CaCO3/l 265

Conductividad elctrica uS/cm 1594Dureza Total mg CaCO3/l 663Slidos Suspendidos mg/l 1426Slidos Disueltos mg/l 2260Slidos Totales mg/l 3734

Nitrgeno Total mg/l 230DBO5 mg/l 3700DQO mg/l 12065Coliformes Fecales NMP/100 ml 1.20(106)

3.2.2.Sistema Experimental

El sistema que ser utilizado para la obtencin de datos experimentales es un reactor UASB diseado a escala delaboratorio, cuya capacidad es de 7 litros, construido de acrlico, con una altura til de un metro y un dimetro de10 cm. El esquema del sistema experimental, as como tambin una imagen del sistema instalado se muestran enla Figura 3-4.

Figura 3-4.Sistema UASB utilizado para la obtencin de datos experimentales.


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4.RESULTADOS Y DISCUSIN

4.1.Resolucin y Ajuste del Modelo

El proceso de ajuste y validacin del modelo matemtico se har siguiendo el esquema de trabajo mostrado en laFigura 4-1.

Figura 4-1.Esquema general de trabajo para el modelaje, simulacin y validacindel modelo ADM1 (Modificado de Boubaker & Cheikh Ridha, 2008).

Luego del planteamiento del modelo, es necesario seleccionar con cuidado el algoritmo numrico que va aresolver el sistema planteado. Debido a que el ADM1 es un sistema stiff con constantes de tiempo que se

encuentran en el rango desde horas hasta das (Rosen et al., 2006), es necesario emplear un algoritmo capaz deresolver este tipo de problemas, el cual nos evitar inestabilidades y tiempos largos en la simulacin. Elsoftware MatLab cuenta con este tipo de algoritmos y, se emplear el algoritmo ODE 15s para la resolucin del

problema (Boubaker & Cheikh Ridha, 2008). As mismo el ADM1 ha sido sometido a ampliaciones yreducciones con el objetivo de ajustarse a las caracteristicas de cada sustrato sobre el cual ha sido aplicado(Batstone, et al., 2006) , por ejemplo, ha sido ampliado para tomar en cuenta el factor de limitacin por nitrgeno(Wett, et al., 2006), la inclusin de los procesos de bacterias sulfato reductoras (Patn Gass, 2012), la inhibicin

por cidos grasos de cadena larga (Boubaker & Cheikh Ridha, 2008), stos y muchos ejemplos ms pueden sercitados. Por lo tanto es necesario analizar la posibilidad de realizar alguna ampliacin al modelo original.

Establecer los valores

iniciales de los

parmetros del ADM1

Integracin de las

ecuaciones diferenciales

del ADM1

Algoritmo y software para

la resolucin de sistemas de


Comparacin con los

datos experimentales a

nivel laboratorio

Ajuste

aceptable?

Obtencin de datos del

sistema experimental a

nivel laboratorio

Optimizacin de los

parmetros

Ajuste de los parmetros

y revisin de las

ecuaciones del ADM1

Validacin del Modelo

Sistema Experimental

Si

No

Elaborar el sistema de


Plantear el modelomatemtico aplicando el

ADM1


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Actualmente, el proceso de codificacin del modelo original se ha realizado. El software utilizado para estepropsito es MatLab, el algoritmo utilizado es ODE 15s pero, an es necesario realizar ajustes para su correctaaplicacin.

En la modelacin del reactor UASB, es necesario tomar en cuenta que para representar el comportamiento realdel reactor ser necesario aplicar un modelo de parmetros distribuidos. Por lo tanto ser necesario aproximar elsistema real utilizando reactores ideales. Wu & Hickey (1997) representan el comportamiento hidrulico real deun reacotr UASB utilizando un reactor CSTR seguido de un PFR con un bypass que conecta la entrada del CSTRcon la salida. El reactor CSTR representa el manto de lodos mientras el PFR representa la zona de clarificacinque se encuentra encima de la zona de lodos. Datos experimentales y tericos fueron comparados durante unanlisis de distribucin de tiempos de edad y existe una buena correlacin entre ellos. En la Figura 4-2 se muetrael esquema seguido para representar el reactor UASB.

Figura 4-2.Esquema propuesto para la representacin del comportamiento realhidrulico del reactor UASB (Tomado de Wo & Hickey, 1997).

Batstone, et al. (2005) ha demostrado que ha escala de laboratorio el comportamiento hidrulico de un reactorUASB es de tipo flujo pistn. Sin embargo a escala real, el comportamiento se asemeja ms a un reactor demezcla perfecta. Por lo tanto en el proceso de ajuste y validacin del modelo a escala de laboratorio se aplicara elesquema mostrado en la Figura 4-2 y para el proceso de simulacin a escala real se aplicar el modeloconsiderando al reactor como si fuese un reactor de mezcla completa.

4.2.Arranque y Operacin del Reactor

El reactor fue inoculado con lodo proveniente de los digestores anaerobios que se encuentran en la EstacinExperimental de Choquenaira y se carg el reactor en un 10%. Actualmente el reactor viene trabajando un mes ymedio con un tiempo de retencin hidrulica de 24 horas bajo un rgimen de reflujo total y una temperaturamesoflica de operacin de 31 1 C. Cada semana se carga el reactor con nuevo sustrato, el efluente delmatadero antes de ser cargado al tanque de alimentacin es diluido en una relacin 1:5. A la fecha se ha podidoobservar un cambio cuantitativo y cualitativo de la biomasa presente dentro el reactor, especialmente con laformacin de biofilm en las paredes del reactor (vase Figura 4-3 y Tabla 4-1). El monitoreo de la concentracinde biomasa, durante este perodo de arranque, se realiza peridicamente cada semana. Tambin la produccin de

biogs puede ser apreciada, aunque los volmenes generados y la concentracin en metano no sean, an,significativos. Se estima que el proceso de crecimiento bacteriano dure 2 meses ms.

Tabla 4-1.

Crecimiento de biomasa en el Reactor UASB.

PuntoConcentracin (mgSSV/L)

11-abr-14 19-may-14Superior (Salida del Reactor) 200 897Medio (Parte media del Reactor) 307 908Inferior (Ingreso al Reactor) 693 2291

Influente

Bypass

CSTR PFR

Efluente


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a) b) c)

Figura 4-2.Seguimiento del crecimiento bacteriano dentro el reactor UASB: a) Estadoinicial del reactor. b) Estado actual del reactor. c) Formacin de biofilm en las

paredes del reactor.

5.BIBLIOGRAFA

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