Caracterización de las aguas residuales y calibración del modelo matemático BNRM1 para la simulación de los procesos de eliminación biológica de materia orgánica y nutrientes

Resumen

La necesidad de profundizar en el conocimiento del proceso de depuración biológica de las aguas residuales, para la eliminación de materia orgánica y nutrientes, ha conducido a la formulación de modelos matemáticos que permitan reproducir el comportamiento del sistema. En este sentido, el grupo de investigación CALAGUA ha desarrollado el modelo BNRM1, el cual considera no sólo la actividad de las bacterias heterótrofas, autótrofas y acumuladoras de fósforo sino que además tiene en cuenta la actividad de microorganismos fermentativos en el proceso de fangos activados, como las bacterias acidogénicas. En este trabajo se ha propuesto como objetivo principal lograr una adecuada simulación del funcionamiento de una estación depuradora de aguas residuales. Para ello se ha planteado estudiar la caracterización de la materia orgánica presente en el agua residual y el procedimiento de calibración de los parámetros del modelo BNRM1. En relación al procedimiento de caracterización de la materia orgánica se ha llevado a cabo un estudio comparativo del método de caracterización físico-químico y el respirométrico. De acuerdo a los resultados, el procedimiento físico-químico permite cuantificar de forma adecuada las componentes biodegradables de la materia orgánica. Así también se ha determinado que el tamaño de filtro de 0.1 micrómetros es el más conveniente para separar la componente soluble de la particulada. El procedimiento actual de calibración del modelo BNRM1 se basa en una metodología de identificación de parámetros a través de experimentos específicos en laboratorio. En este trabajo se ha centrado el esfuerzo en estudiar, en primer lugar, de qué forma es posible mejorar este procedimiento basado en los ensayos de laboratorio. Para ello se ha considerado conveniente incorporar la concentración del polímero polihidroxialcanoato, XPHA, en el procedimiento de calibración de las bacterias PAO en condiciones aerobias dado que este polímero juega un papel fundamental en el metabolismo de estos microorganismos. Además, por medio del análisis de sensibilidad se ha desarrollado un plan de muestreo estratégico de los diferentes experimentos de calibración. Este plan propone incrementar la frecuencia de las muestras en el intervalo del experimento donde los parámetros describen una mayor sensibilidad. De esta manera es posible mejorar la identificabilidad de los mismos. Así también, se ha propuesto una metodología de calibración del modelo BNRM1 la cual considera no sólo la información experimental recogida en ensayos específicos sino también datos dinámicos del proceso. Estos datos se han empleado en la identificación de los parámetros más sensibles que no se determinan en los experimentos específicos. Para el desarrollo de esta propuesta se ha incluido un análisis de sensibilidad del sistema en estado estacionario. Este análisis ha permitido seleccionar las variables más sensibles a las perturbaciones de los parámetros. Además, se ha podido determinar el conjunto de parámetros potencialmente identificable a partir de los datos disponibles. Al ajustar los parámetros seleccionados con este procedimiento ha sido posible representar en forma adecuada los datos dinámicos del efluente. Finalmente, se ha observado que la edad de fango ejerce una influencia muy importante en el proceso de eliminación de fósforo. A partir de la información experimental recogida en esta tesis se ha apreciado un aumento de la población de bacterias GAO y una disminución de la concentración de bacterias PAO cuando se incrementa el tiempo de retención celular del sistema.