Modelación y simulación del proceso de lodos activados de la planta de tratamiento de aguas residuales “Dulces Nombres de Monterrey

Abstract

En la actualidad, el conocimiento sobre los procesos biológicos, físicos y químicos en el tratamiento de las aguas residuales, da como resultado la instalación de sistemas de tratamiento más complejos, pero con mayor eficiencia, y para su optimización se puede utilizar la modelación como herramienta. En este sentido, los modelos dinámicos de lodos activados (ASMs, por sus siglas en inglés) son avances recientes que representan el “Estado de Arte” y que son aplicables en la mayoría de las plantas de lodos activados. Para este proyecto de investigación, el objetivo general fue el de adaptar y calibrar el modelo ASM1 para simular la planta de tratamiento de lodos activados “Dulces Nombres” en Monterrey, N. L., con el fin de obtener una descripción adecuada de la eficiencia de remoción de carga orgánica y nitrógeno, y de la producción de lodos. La adaptación del modelo ASM1 y su calibración se analizó de acuerdo a varios procedimientos, tratando de obtener la mayor cantidad de información necesaria para dar una descripción más exacta del sistema de lodos activados en estudio, y de esta manera lograr una aproximación confiable en la calibración. Para desarrollar esta secuencia de calibración específica, se integraron diferentes estudios, tales como: a) Caracterización del influente, efluente y lodos, así como, la determinación de las fracciones de la demanda química de oxígeno (DQO) y el nitrógeno (N); b) determinación del comportamiento hidráulico de los reactores biológicos a través de pruebas de trazador; c) evaluación de las características de sedimentación del lodo a través de pruebas en columna; d) campaña de monitoreo de gastos y e) perfiles operacionales en el proceso. También se evaluaron las tasas de crecimiento y de decaimiento (μHMAX, bH) y el coeficiente de rendimiento (YH) de la biomasa heterótrofa con la meta de explorar su variación en función de la temperatura en el rango de 20 a 32°C. Poca información está disponible en la literatura respecto a estos parámetros para temperaturas mayores de 20°C. Con este exhaustivo programa de trabajo, se logró adaptar y calibrar el modelo ASM1 siguiendo una secuencia definida. Se utilizó el software GPS-X para calibrar y simular la planta de tratamiento (en estado estacionario). Se logró simular convenientemente la calidad de los efluentes y la composición del lodo. Los resultados del padrón de fraccionamiento final tras la calibración fueron del 44.2% de SS, 6.7% de SI, 46.7% de XS y 2.4% de XI. Las pruebas de respirometría, se realizaron a temperaturas de 20, 24, 28 y 32°C. Los resultados promedio de μHMAX y bH para 20°C fueron respectivamente de 6.9 y 0.20 d-1. El factor de corrección por cambio de temperatura (Q) de Arrhenius para μHMAX fue estimado en 1.034, y para bH en 1.040, los cuales se pueden aplicar para condiciones de clima cálido o tropical, es decir, en un rango de temperaturas altas. Por otra parte, desde la obtención de los resultados de laboratorio, se observó que la PTAR presentaba desnitrificación tanto en los reactores como en los sedimentadores, aún y cuando no están diseñados con zonas anóxicas adecuadas para este propósito. Esto se tomó en cuenta en el modelo utilizando un tanque virtual de desnitrificación, lo cual permitió calibrar los niveles de NO3- en el lodo de retorno y en los reactores. Los escenarios de ampliación de la PTAR simulados con el GPS-X, dieron una perspectiva de lo que se puede hacer en la planta. Se estudió en lo particular el escenario que considera un incremento adicional de 2,500 L/s del flujo del influente a reactores, considerando los límites máximos permisibles marcados en la NOM-001-SEMARNAT-1996 y otros límites fijados para el reuso del efluente, que para este último caso son SST (30 g/m3), DBO5 (30 g/m3), NORG (5 g/m3), N-NH3 (2 g/m3) y NTK (7 g/m3). Los resultados obtenidos mostraron que las concentraciones de dichos parámetros se mantendrían dentro de los límites marcados siempre y cuando se ampliaran el área del sedimentador y el volumen del reactor en un 54 y 62% respectivamente. Finalmente, se espera que este trabajo de investigación contribuya enormemente para dar a conocer la modelación de sistemas de lodos activados en México, poniendo como referencia a la Ciudad de Monterrey en la ejecución de este tipo de proyectos.