Tratamiento de aguas residuales mediante granulación aeróbica: Modelo de base fenomenológica de un reactor aeróbico para el crecimiento de organismos acumuladores de fósforo

Abstract

El tratamiento de aguas servidas con alta carga de especies fosforadas puede ser abordado en reactores biológicos de granulación aeróbica, los que poseen ventajas operacionales con respecto al tratamiento de aguas servidas tradicional. Los gránulos aeróbicos son estructuras complejas debido a la variedad de procesos físico-químicos que ocurren en su interior. En consecuencia, surge la motivación de realizar modelos matemáticos que permitan simular y predecir el comportamiento de este sistema de tratamiento, con el fin de facilitar el diseño y operación. El modelo propuesto en esta tesis se basa en la representación de cada gránulo como un submodelo y la modelación del sistema completo sobre la base de submodelos. Debido a la estructura compacta y heterogénea interna del gránulo, la transferencia de masa se vuelve significativa en comparación con otros procesos, donde la resistencia a la transferencia de masa es más significativa hacia el centro de los gránulos. Respetando esta idea se formuló un modelo geométrico que permitiera representar las subestructuras del gránulo, denominadas como \textit{aglomerados}, descomponiendo la estructura en capas de grosor descendente hacia el centro del gránulo. Con esto fue posible obtener una función para la difusividad de Acetato, Fosfato y Oxígeno dependiente del radio del gránulo, tal que su valor disminuye hacia el centro. Esta función permite explicar la existencia de diferentes zonas redox en el interior del gránulo y la presencia de un centro más poroso que la corteza. Se modela la conducta dinámica de las concentraciones de Acetato, Fosfato y Oxígeno en el interior del gránulo. Para esto, se plantea un sistema de ecuaciones diferenciales que dependen de la difusividad y las tasas de conversión biológica. Como resultado se obtienen perfiles de concentración para los tres sustratos estudiados y a modo de conclusión se tiene que el modelo planteado es altamente sensible a las condiciones de borde impuestas y al valor de las constantes cinéticas utilizadas para la tasa de conversión. Usando el modelo de un gránulo individual, se crea un modelo que permite seguir la conducta dinámica de Acetato y Fosfato en el reactor. Como resultado se obtienen perfiles de concentración a lo largo de la altura del reactor y se obtiene un modelo verosímil, capaz de seguir datos experimentales. Adicionalmente, se realiza un análisis de sensibilidad de las tasas de conversión microbiana. Como principal conclusión se tiene que el modelo propuesto permite seguir la conducta de un reactor. Para ser utilizado en futuras experiencias, se recomienda su calibración específica al reactor en estudio. A modo de reflexiones y conclusiones generales se puede decir que el modelo permite representar cualquier distribución de gránulos, geometría del reactor y condiciones de operación. Adicionalmente, el modelo generado permite enfocar y guiar las pruebas experimentales necesarias para realizar el ajuste de parámetros requerido. Se concluye que gracias a que el modelo global se basa en el comportamiento de un solo gránulo, se puede trabajar con volúmenes de control menores al reactor completo, permitiendo representar un reactor no ideal como la composición de sub-reactores.