Este Blog pretende ser una referencia para los profesionales en el campo de la depuración de aguas residuales. Tratamos de dar a conocer las líneas de investigación más interesantes y analizar su aplicabilidad en operación. Contamos con todos los lectores para que nos aporten sus conocimientos y nos planteen sus dudas.

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viernes, 6 de junio de 2014

DIGESTIÓN ANAEROBIA DE FANGOS, PROBLEMAS Y SOLUCIONES.

DIGESTIÓN ANAEROBIA. 


Fases de la digestión.

La digestión anaerobia de fangos de depuradora es un sistema de estabilización de fango que se emplea en la eliminación de una parte importante de la fracción volátil de los fangos que se generan en una EDAR. Los fangos sin estabilizar generan olores por putrefacción y riesgo de proliferación de bacterias infecciosas. Los sistemas de estabilización o inertización de los fangos son variados, desde la incineración, la oxidación total, o la digestión aerobia. En este caso vamos a analizar la digestión anaerobia.

El fango que se introduce en la digestión anaerobia es el proveniente de la línea de aguas, tanto el fango primario, como el fango biológico. En ambos casos se realiza un espesado previo a la digestión para aumentar la concentración y reducir los volúmenes de reactor (digestor) necesarios. La digestión anaerobia se diseña mediante uno (o varios) digestor(es) primario(s) y un digestor secundario o tampón. Puede ser de dos tipos según la temperatura a la que se realice, bien mesófila (óptimo entorno a 35-37ºC) o termófila (temperatura 55-60ºC).


Aunque las especies microbianas involucradas son distintas en cada caso, las fases en ambos casos son iguales. Comienza con la hidrólisis de la materia orgánica y la biomasa proveniente del sistema de fangos activos y del fango primario que realizan las bacterias fermentativas. Posteriormente las bacterias acidogénicas generan ácidos de cadena corta en la acidogénesis. Algunas bacterias acetogénicas pueden derivar estos ácidos en acetato, mientras que otras producen CO2 y H2. Finalmente en la última fase, las bacterias metanogénicas utilizan estos compuestos para generar gas metano (CH4), bien a partir de hidrógeno (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas), bien a partir del acetato (bacterias metanogénicas acetoclásticas). Se da la circunstancia de que las bacterias que realizan las fases de hidrólisis y acidogénesis son más rápidas que las metanogénicas, que les cuesta más tiempo realizar la metanogénesis.


PROBLEMAS. 


Reducción de la producción de metano.

Este problema puede tener varias causas. Primero, por la inhibición o muerte de las bacterias metanogénicas; segundo, por la falta de sustrato para las bacterias metanogénicas, ya sean acetoclásticas o hidrogenotróficas; tercero, y ligado al anterior, por la inhibición de actividad de las bacterias acidogénicas que influyen sobre las fases de hidrólisis, fermentación y acidogénesis. 

Las causas subyacentes en cualquier caso son, la falta de sustrato (materia orgánica volátil en el fango llevado a digestión), condiciones de pH y temperatura inadecuadas, o la presencia de tóxicos (amoniaco, sulfuros, iones metálicos, metales pesados, biocidas) tal y como se recoge en una revisión de Ye Chen, et al. en 2007 "Inhibition of anaerobic digestion process: A review".

Para el caso específico de los metales pesados, un artículo de A. Mudhoo, et al. en 2013, en su artículo "Effects of heavy metals as stress factors on anaerobic digestion processes and biogas production from biomass", se estudian todas las fases de la digestión anaerobia y la afección en cada una de ellas de los metales pesados. Para la fase de hidrólisis no reporta referencias de efectos negativos de metales pesados. Sin embargo, para la fase de acetogénesis, recoge estudios en los que se determinó el orden relativo de toxicidad de los distintos metales pesados afectando a la degradación de los principales AGV. El orden de toxicidad en esta fase de la digestión es Cd > Cu > Cr > Zn > Pb > Ni. Finalmente, para la fase de metanogénesis, la afección de los metales pesados indica que es mayor, puesto que las bacterias son más sensibles. Además muestran una sensibilidad diferente siendo el orden de toxicidad relativa Zn > Cr > Cu > Cd > Ni > Pb. Hace referencia a varios estudios que determinan concentraciones de inhibición, la capacidad de adaptación a altas concentraciones de tóxico, etc.



Acidificación del medio.

Un problema que puede ser causa o puede ser efecto es la acidificación del medio en la digestión. 
En cuanto a la alimentación, un sistema de digestión anaerobia con alimentación continua y estable desarrolla una dinámica poblacional compensada, donde la población de bacterias metanogénicas se desarrolla hasta un nivel tal que es capaz de consumir todos los AGV que generan las bacterias acidogénicas. Sin embargo, cuando la alimentación tiene altibajos en el tiempo, el equilibrio poblacional no es capaz de adaptarse y su respuesta a la variabilidad de disponibilidad de sustrato genera problemas. Cuando la alimentación presenta picos altos, las bacterias acidogénicas generan AGV a la velocidad a la que se hidroliza el sustrato entrante, mientras que las metanogénicas puede llegar el momento de no ser capaces de consumir todos los AGV generados. La acumulación de AGV puede ser compensada por la capacidad tamponante del sistema, sin embargo, si la capacidad tamponante es insuficiente, el pH baja y la acidificación progresiva del medio incide en la reducción de actividad de la metanogénesis, generando un bucle de "menor consumo de AGV por las metanogénicas"-"acidificación"-"menor actividad de las metanogénicas" que desemboca en la parada completa del digestor.

Los problemas de acumulación de ácido pueden ser la causa, pero también pueden ser el efecto de la inhibición de la fase de metanogénesis por tóxicos, temperatura, pH, etc. Cualquier inhibición de la última fase de la digestión puede presentar episodios de acidificación, será cuestión del operador que analice cuáles son las causas subyacentes.









viernes, 9 de mayo de 2014

PROBLEMAS DE FOAMING


La aparición de espumas en las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales es un problema que afecta a no pocas instalaciones en todo el mundo. Existen fotos en Internet espectaculares sobre episodios de espumas que llegan a la altura de 2-3 metros de altura saliendo fuera de los reactores biológicos y decantadores.


Cuando las espumas están causadas por el vertido de detergentes y tensioactivos, las espumas resultantes son de color blanco y aparecen en los saltos de agua y en los reactores biológicos, como si de un enorme jacuzzi de un Spa se tratara. Claro que, ni se trata de un jacuzzi, ni tampoco es lo que ocurre normalmente. 

Las espumas que aparecen con mayor frecuencia son de color marrón porque la biomasa flota sobre la superficie del agua. La flotación de la biomasa tiene varias causas probables. La más temida es un bulking filamentoso, una proliferación masiva de microorganismos filamentosos que producen flóculos enmarañados que atrapan las burbujas de aire y flotan, generando una densa capa superficial flotante donde se condensa y muere la biomasa. Las costras resultantes pueden ser realmente rígidas y secas, como dicen muchos operadores de planta, "se puede andar sobre ellas".

Otra causa puede ser el estrés de la biomasa, sobre todo por deficiencia de nutrientes, en cuyo caso algunas especies segregan productos hidrófobos o mucilaginosos que atraparan microburbujas y por esa causa flotan. En este caso las espumas son como una mouse de chocolate. 


¿Pero cómo podemos asegurarnos de las causas? Existen varias herramientas que nos pueden ayudar a descartar unos frente a otros. En primer lugar tenemos el control de los parámetros de funcionamiento de la EDAR. La edad de fango, la temperatura del agua y la carga másica nos pueden ayudar a ver si hay una relación F/M adecuada, lo que podríamos simplificar en los comensales que hay, la comida que se reparten y la velocidad a la que comen. Si hay poca comida los microorganismos se estresarán y probablemente tengamos un episodio de espumas no necesariamente ligado a filamentosas. 

La falta de nutrientes puede desembocar en un bulking filamentoso, pero para confirmarlo la herramienta más sencilla es el microscopio. Los neófitos en el uso del microscopio pudieran no confundir la simple presencia de microorganismos filamentosos (totalmente necesarios para mantener la macroestructura del flóculo), con una proliferación excesiva, como aparece en la comparativa inferior (imagen de Andrés Zornoza). Es básico por lo tanto tener unos conocimientos mínimos sobre microbiología y la bioindicación para poder realizar una correcta valoración de la situación. Estos conocimientos permitirán además poder identificar la especie de filamentosa que aparece en los flóculos, puesto que sus características son distintas, las causas por las que aparecen son diferentes y su gestión también varía. En caso de no tener esa mínima base de conocimiento, existen opciones para adquirir la formación necesaria, por ejemplo en http://aula-bioindicacion.blogspot.com.es/


Los episodios de foaming pueden ser recurrentes, dándose en la misma época del año. La recurrencia del problema puede ayudar al operador de planta a prevenirlo o corregirlo con mayor facilidad, siempre que sea capaz de determinar sus causas correctamente y operar en consecuencia, y siempre que sea capaz de hallar un método eficaz de corrección. Es por eso que la experiencia es del operador tiene un papel importante en la gestión de este tipo de episodios. Evidentemente siempre es preferible prevenir las causas para que no ocurran. 

En cuanto a las posibles soluciones, dependerán en cada caso de su origen. Si la relación de F/M es excesivamente baja habrá que reducir la edad de fango y probablemente reducir la eficacia de la decantación primaria para permitir el paso de más carga al volumen de reactor biológico. Cuando la causa sean filamentosas, la solución dependerá de la especie que se trate, pero normalmente con el correcto manejo de los selectores anaerobios y anóxicos puede ir corrigiéndose, o mediante la utilización de duchas de hipoclorito sódico sobre las espumas. Otra manera eficaz, aunque costosa, suele ser la eliminación de la espuma en lugar de deshacerla con mangueras. Existen muchas maneras de corregir el problema, y para cada caso, como se suele decir, "cada maestrillo tiene su librillo". 

Es importante documentar los episodios y los causas, si se consigue determinarlas, ya que ésto ayudará en el futuro a los operadores que vengan después. Será interesante conocer las experiencias de operadores de planta que lean esta noticia y quieran compartir su experiencia.

martes, 29 de abril de 2014

INTRODUCCIÓN A LA MODELACIÓN

La modelación de procesos, físicos, químicos o biológicos, es una disciplina de estudio que permite realizar predicciones del comportamiento de un sistema utilizando un modelo y unas condiciones de contorno. Se podría decir que se trata de una forma alternativa a la experimentación para obtener predicciones. Resulta muy útil por lo tanto para sistemas complejos en los que la experimentación lleva mucho tiempo o cuya operación supone costes o riesgos muy elevados (centrales nucleares, térmicas, sistemas biológicos, etc.).

Un modelo es un esquema o expresión, normalmente matemática, que refleja un sistema y lo que en él ocurre y que se utiliza para analizar el comportamiento de dicho sistema en ciertas condiciones. Los modelos deben poder predecir el comportamiento de las variables que resultan de interés.

Existen varios tipos de modelos. Están los modelos mecanicistas (White box), que son modelos cuyos procesos están descritos con mucho detalle y que tienen en cuenta gran cantidad de variables y parámetros. El problema que plantean es que son tan detallados que exigen un gran conocimiento del sistema, de los procesos y de las condiciones y que exige un esfuerzo enorme para la calibración.

Los modelos empíricos (Black box) son modelos mucho más sencillos en cuanto a su calibración ya que buscan una relación matemática que sea capaz de predecir el comportamiento de las variables de interés, sin tener en cuenta ningún proceso interno. Los valores de salida de las variables son función de los valores de muchísimos menos parámetros de entrada, y esto reduce la complejidad en la calibración de estos modelos. Sin embargo, la relación matemática no tiene ningún significado ya que se trata de una relación matemática que no describe el proceso de ningún modo.



Los modelos mecanicistas simplificados (Grey box) son modelos muy versátiles ya que son modelos intermedios cuya complejidad es la elegida por el desarrollador. Cuanto más complejo es el modelo más se aproxima a los mecanicistas, cuantas más simplificaciones se hacen más se parece a un modelo empírico. Son los más utilizados puesto que reducen el esfuerzo necesario en la calibración, ya que simplifican los modelos mecanicistas agrupando procesos. Permiten equilibrar el esfuerzo necesario para su calibración y la información que nos van a ofrecer sobre los procesos que ocurren en el sistema.



Si nos centramos en el desarrollo de modelos para simular la depuración de las aguas residuales, suelen ser modelos mecanicistas simplificados que tratan de simular los procesos por los que se libera al agua de los contaminantes. La modelación en el campo de la depuración se ha centrado en los procesos biológicos de depuración, sobre todo en el sistema de Fangos Activados, aunque hay modelos de sedimentación, de precipitación y de procesos fisico-químicos de depuración.

En la modelación de sistemas biológicos, los primeros modelos matemáticos de eliminación de materia orgánica y nutrientes desarrollados por la IWA y ampliamente aceptados fueron los modelos ASM1 (1987) y ASM2 (1995). En el primero se modelaron la eliminación de materia orgánica y nitrógeno, introduciendo la notación matricial (que luego explicaremos) mientras que en el segundo se incluyó también la eliminación de fósforo. En 1999 la IWA lanzó una ampliación del modelo ASM1 con la inclusión de procesos como almacenamiento de compuestos orgánicos o de respiración endógena. Esta ampliación no tuvo demasiado éxito por el mínimo aporte de información con respecto al modelo anterior, en comparación con el aumento de la complejidad de calibración. Sin embargo, en el mismo año la IWA realizó una revisión del ASM2, el ASM2d, en la que se incluyó la desnitrificación de las bacterias PAO y que actualmente es el más utilizado en el desarrollo de las aplicaciones de simulación. Desde 1994, la Universidad Técnica de Delft desarrolla el modelo TUD que amplia el modelo ASM2d con un modelo metabólico de las bacterias PAOs incluyendo el glicógeno en los procesos. En cuanto a los modelos de Digestión Anaerobia, en 2002 aparece el más utilizado actualmente, que es el ADM1.

Los modelos presentan una complejidad elevada en su desarrollo y comprensión. Se basan en la descripción de procesos en los que existen componentes que tienen relaciones estequiométricas y cuya velocidad de ocurrencia del proceso afecta a los compuestos que en él participan. Se basan en realizar balances de materia a través del sistema a lo largo del tiempo:

Acumulación = Entradas - Salidas + Generación - Consumo.

La notación matricial es la forma más sencilla de presentar toda la información necesaria para definir un modelo. El modelo viene definido por dos matrices, la matriz estequiométrica y la matriz de componentes. Para definir ese modelo tenemos que elegir; 1) los componentes, que son todas las especies que participan en los procesos; 2) los procesos, que son las reacciones físicas, químicas o biológicas que afectan a los componentes; y 3) los materiales a conservar, cuya continuidad es la base para el cálculo de las relaciones estequiométricas.



En la matriz estequiométrica, como su nombre indica, se define la estequiometría de los procesos. En las columnas de la matriz se sitúan los componentes y en las filas se colocan los procesos. Para cada componente se deberá definir la estequiometría en los procesos en los que participe. Generalmente se convienen valores positivos para la generación y valores negativos para la desaparición de los componentes en cada proceso. 

Para el cálculo de la estequiometría en la matriz superior se utiliza la matriz de composición. En la matriz de composición se incluyen los factores de conversión, indicando el contenido de cada material a conservar en cada componente del modelo. Para cada material a conservar se aplica la ecuación de continuidad, de manera que el número de materiales a conservar deben ser tantos como incógnitas hay en la matriz estequiométrica. 

Para terminar de definir el modelo por completo, queda la parte más importante, que es la definición de la cinética de los procesos, puesto que nos da información de la velocidad a la que aparecen y desaparecen los componentes. A la hora de definir la cinética para cada proceso existen varias expresiones cinéticas que expresan matemáticamente la evolución temporal de dicho proceso. Existen expresiones cinéticas independientes o de grado 0. Cinéticas lineáles o de primer grado. Y existen cinéticas complejas como las cinéticas exponenciales, de saturación o de Monod, o cinéticas de inhibición.