Modelización de reactores de biopelícula soportada y oxigenada por membranas (rbsom) para la depuración de aguas residuales

Resumen

Esta tesis doctoral se ha dedicado al estudio mediante modelización del comportamiento de los Reactores de Biopelícula Soportada y Oxigenada por Membranas (RBSOM) para la depuración de aguas. En los RBSOM las funciones de soporte de la biopelícula y aporte de oxígeno se realizan con membranas permeables a gases. Sus principales características son la posibilidad de reducir los costes energéticos asociados con la transferencia de gas y la especial estratificación en el interior de la biopelícula, diferente a la de biopelículas convencionales, que permite la ocurrencia simultánea de eliminación de carbono, nitrificación y desnitrificación. Se ha construido un modelo de RBSOM con base en el programa de simulación dinámica Aquasim. El Modelo integra los procesos relacionados con la dinámica de los gases en el reactor, que denominamos Modelo físico, y la cinética biológica en la biopelícula o Modelo biológico. El Modelo es aplicable a RBSOM de membrana plana y fibra hueca o tubular, operando en modo de extremo cerrado, flujo continuo o autoaireado. El Modelo físico desarrollado permite la estimación, a lo largo de la longitud de una membrana, de las variaciones en la composición y flujo de gases. Asimismo, incluye la transferencia de gases con la atmósfera y considera la variación con la presión y la temperatura de los distintos parámetros implicados. Adicionalmente, se ha desarrollado un modelo general teórico para la obtención de la presión parcial media del oxígeno en las membranas aplicable a alimentación con oxígeno y con aire normal o enriquecido, y tanto a membranas con el extremo cerrado como a membranas con el extremo abierto. Las ecuaciones obtenidas sustituyen a las correlaciones semi-empíricas disponibles en la bibliografía. Se han estudiado los diferentes factores que pueden influir en la transferencia de oxígeno con membranas hidrófobas: presión y tipo del gas de alimentación, concentración de oxígeno y nitrógeno en el seno del líquido, selectividad de las membranas y temperatura. También se ha modelizado el efecto de distintos caudales de paso de gas sobre el flujo, la eficiencia en la transferencia y la evolución del perfil del oxígeno a lo largo de la membrana. El objetivo es obtener para cada caso concreto el caudal de paso óptimo que maximice la capacidad de oxigenación específica (y por lo tanto el aprovechamiento de las membranas, reduciendo el coste de instalación) pero a la vez no suponga un descenso excesivo en la eficiencia de la transferencia (y en consecuencia en los costes de operación por consumo energético). El Modelo también se ha aplicado al análisis de los ensayos de oxigenación con membrana limpia en RBSOM. La conclusión principal es la necesidad de controlar cuidadosamente las condiciones del ensayo para conseguir ensayos repetibles y resultados adecuados, para lo que se proponen una serie de recomendaciones. A la luz de los conocimientos adquiridos en el desarrollo de la tesis, se han detectado algunos fallos experimentales en la bibliografía y ofrecido explicaciones alternativas a ciertos fenómenos observados.