Modelación del Proceso de Lodos Activados en la Planta de Tratamiento de Aguas residuales Noreste, del Área Metropolitana de Monterrey, NL.

Abstract

Dentro de los últimos 25 años, uno de los avances más significativos con referencia al conocimiento sobre tratamiento de aguas residuales, es el desarrollo de una serie de modelos dinámicos capaces de simular el comportamiento complejo de los procesos biológicos a escala real de una planta (lodos activados, digestión anaerobia, bio-películas, entre otros). En particular, el modelo de lodos activados N°1 (ASM1, por sus siglas en inglés) ha sido ampliamente utilizado en el mundo, no así en México; cuya aplicación representa oportunidades de ahorros, mejores diseños y desempeño de las plantas del país. En la presente investigación, se utilizó un enfoque de modelación para estudiar el caso de la Planta Noreste, una de las tres plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) del área metropolitana de Monterrey, NL, cuyo incremento continuo de flujo, desde su puesta en marcha, derivó en dos ampliaciones mayores en menos de 10 años. La planta, cuya capacidad actual es de 1,250 LPS, utiliza un proceso de lodos activados en cuatro líneas, idénticas dos a dos, formadas por dos reactores centrales alargados (2 x 17,830 m3) de 7 compartimientos cada uno, y dos líneas laterales (2 x 4,640 m3) que tienen cada uno un reactor VLR (variante de zanja de oxidación con circulación vertical del agua) seguido por un tanque de aeración de burbuja fina (BF). El objetivo principal de la investigación fue modelar, con el ASM1, el proceso de lodos activados de la Planta Noreste, para describir su comportamiento en cuanto a remoción de materia orgánica, nitrógeno y producción de lodo, con el fin de que el modelo calibrado sirva como herramienta de toma de decisión en el futuro. La metodología utilizada consistió en la integración y puesta en práctica de diferentes estudios intermedios, así como el desarrollo de una secuencia especifica de calibración del modelo, con base a una serie de métodos y recomendaciones dispersadas en la literatura. Los estudios intermedios fueron: caracterización para determinar las fracciones de DQO y nitrógeno del influente, determinación de la estructura del modelo hidráulico de la planta, modelación de la sedimentación y realización de pruebas respirométricas. Para el estudio de fraccionamiento, se realizó una recopilación y análisis de los datos de rutina, a partir de cuya base, se diseñó y realizó una campaña de muestreo y análisis, a fin de caracterizar el influente y efluente (compuestos de carbono y nitrógeno, total y soluble) y determinar así el fraccionamiento de la DQO y del nitrógeno según los requerimientos y la nomenclatura estandardizada del ASM1 (SS, XS, Si, Xi, SNH, SND, etc). La campaña incluyó la medición de algunos flujos internos en diversas corrientes, la medición de las tasas de consumo de oxígeno, perfiles de oxígeno disuelto, de nitrógeno amoniacal, de nitratos y de temperatura, entre otros. Para el fraccionamiento, se evaluaron dos métodos de cálculo: uno basado en el modelo incluido en el modulo “Influent Advisor” del programa GPS-X, y el otro basado en un modelo conocido en la literatura como “protocolo de caracterización de la STOWA”. En promedio, las fracciones SS, XS, Si y Xi, respecto a la DQO total del influente, fueron respectivamente 17%, 41%, 5%, 37% con el método incluido en el GPS-X, contra 13%, 56%, 4%, 27% con base en el método STOWA. Lo anterior mostró que los dos métodos no son equivalentes. Para mantener la coherencia en el estudio, se optó seguir el trabajo con los resultados procedentes del “Influent-Advisor de GPS-X”. Otro requisito importante del procedimiento de calibración fue conocer la hidrodinámica de los reactores, por lo que se llevaron a cabo pruebas de trazador con Rhodamina WT. Los datos se analizaron con un enfoque innovador basado en el uso de un simulador (Aquasim), que permitió establecer que el reactor central, diseñado y construido como flujo tipo pistón con 7 celdas, se representa mejor por un modelo virtual de 5 tanques de mezcla completa (CSTR) en serie, el primero (anóxico) de 2,180 m3 y cuatro (aerados) de 3,912.5 m3. Con las pruebas de trazador, se mostró por otro lado, que el reactor lateral, se representa mejor por un arreglo virtual de 3 CSTR’s en serie (uno de 3040 m3 que describe al VLR y dos de 800 m3 que describen al tanque de burbuja fina, más una pequeña recirculación interna de 262 m3/d, del tanque 3 al 1). En cuanto a la calibración del sedimentador secundario, el estudio permitió determinar los parámetros del modelo de Vesilind (v0 11.5 m/h y n 0.38 m3/kg) a partir de pruebas de sedimentación en columna, y comprobar que son identificables de forma única. Estos datos fueron transferidos luego al programa de calibración del modelo biológico. Finalmente, para la calibración del modelo biológico, se utilizó el programa GPS-X; la base de datos fue carbón-nitrógeno (cnlib), el modelo biológico fue ASM1 y la opción de modelo de influente fue “CODfractions” (mismo que fue evaluado previamente con “Influent Advisor”). Se desarrolló y aplicó un procedimiento de calibración, que junto a las etapas previas de caracterización del influente, hidrodinámica de los reactores y calibración del sedimentador, consistió en las siguientes fases: Fase cero (estimación de Si con base a DBO y DQO del efluente), Fase uno (transferencia de los parámetros de fraccionamiento en simulador), Fase dos (estimación del volumen de purga QWAS), Fase tres (terminación de la calibración del sedimentador), Fase cuatro (calibración en estado estacionario), Fase cinco (verificación de la calibración en estado estacionario con promedios diarios) y Fase seis (verificación con base a datos dinámicos diurnos). Así mismo se construyó el modelo de la planta completa (cuatro reactores y tres clarificadores) para plantear las aplicaciones del modelo. El modelo calibrado fue capaz de describir de forma adecuada la calidad del efluente (carbono y nitrógeno) y la producción del lodo, en especial en estado estacionario. Por lo que se considera exitosa la secuencia de calibración desarrollada y puesta en práctica en el proyecto, y que presenta una contribución al esfuerzo internacional de estandardización de los procedimientos de calibración del ASM1. Los resultados obtenidos de la aplicación del modelo calibrado sugieren que se podría dejar fuera de operación al menos un reactor VLR, en el verano, sin afectar el desempeño de la planta. En el futuro, se recomienda incluir el proceso de aeración en la modelación, así como otra campaña de muestreo que permita complementar y verificar la calibración del modelo en régimen dinámico. Probablemente, sin precedente de que se tenga referencia, la investigación llevada a cabo representa el primer caso de una planta de tratamiento de lodos activados en la República Mexicana, en el que se llevó a cabo un estudio extenso de modelación y calibración con el ASM1. Lo anterior constituye una contribución substancial en los esfuerzos llevados a cabo para introducir la práctica de modelación en las plantas del país.