Modelo mecanístico para producción de hidrógeno en un AnMBR para el tratamiento de agua residual de alta carga

Abstract

En este trabajo se desarrolla un modelo para la producción de hidrógeno en un reactor anaeróbico de membrana sumergida teniendo como sustrato aguas residuales multisustrato de alta carga. Los modelos existentes para simular reactores anaeróbicos de membranas tienen la desventaja de presentar monosustratos en la corriente afluente, lo que limita su utilización en sistemas complejos. La gran diferencia que presenta el modelo expuesto en este trabajo es que es capaz de simular la producción de hidrógeno a partir de la degradación de afluentes multisustratos, lo que se traduce en una extensión de los sistemas que pueden ser estudiados, ya sea en su diseño o en su optimización. El objetivo general de este trabajo es el desarrollo de un modelo para la producción de hidrógeno en reactores anaróbicos de membrana sumergida a partir de aguas residuales de alta carga. Para lograrlo, se formularon las ecuaciones que describen la fenomenología a partir de la fusión de modelos preexistentes que simularan la producción de hidrógeno en sistemas perfectamente agitados sin membrana, y de modelos que explicaran cómo la materia disuelta afecta en el desempeño de la membrana; la que a su vez influye directamente en los mecanimos ocurriendo dentro del reactor. Una vez formulado el modelo, y luego de obtener los resultados de la simulación, se hicieron comparaciones entre las predicciones y resultados experimentales reportados en literatura. Además, se realizó un análisis de sensibilidad, con el fin de obtener los parámetros críticos para producción de hidrógeno. La simulación indica que la mayor producción de hidrógeno se logra con afluentes que poseen una mayor cantidad aminoácidos, seguida por la producción con afluentes ricos en azúcares y finalmente aquellos ricos en lípidos. Sin embargo, estos afluentes también están asociados a una mayor producción de EPS, lo que implica aumentar la frecuencia del lavado de la membrana. Los casos extremos en la producción de hidrógeno corresponden a aquellos afluentes que poseen 100% aminoácidos, y aquellos con una composición del 100% ácidos grasos. Con una base de 10 g/L de materia orgánica en el afluente, se tiene una producción de 6,1 LH2/L−d para el caso 100% aminoácidos, con una frecuencia de retrolavado de 30 minutos; mientras que para el caso 100% de ácidos grasos, se tiene una producción de 0,7 LH2/L − d, con una frecuencia de retrolavado de 60 minutos. Notar que todos los casos que corresponden a una combinación entre aminoácidos, azúcares y ácidos grasos se encuentran en los rangos mencionados. Por otro lado, se tiene que el modelo es sensible a la temperatura, al tiempo de retención hidráulico y al tiempo de retención de sólidos. En este sentido, se tiene que la producción de hidrógeno se ve favorecida al operar en condiciones mesofílicas, con HRT en torno a las 12 horas y SRT en torno a los 6 días.

In this work, a model was developed for hydrogen production in a submerged membrane anaerobic reactor with high-strength multisubstrate wastewater as substrate. Existing models for simulating membrane anaerobic reactors have the disadvantage of presenting monosubstrates in the influent stream, which limits their use in complex systems. The great difference presented by the model presented in this work is that it is capable of simulating hydrogen production from the degradation of multisubstrate influents, which results in an extension of the systems that can be studied, either in their design or in their optimization. The overall objective of this work is the development of a model for hydrogen production in anaerobic submerged membrane reactors from high-load wastewater. To achieve this, the equations describing the phenomenology were formulated by merging pre-existing models that simulate hydrogen production in perfectly agitated systems without a membrane, and models that explain how dissolved matter affects membrane performance, which in turn directly influences the mechanisms occurring inside the reactor. Once the model was formulated, and after obtaining the simulation results, comparisons were made between the predictions and experimental results reported in the literature. In addition, a sensitivity analysis was performed to obtain the critical parameters for hydrogen production. The simulation indicates that the highest hydrogen production is achieved with influents having a higher amount of amino acids, followed by production with sugar-rich influents and finally those rich in lipids. However, these influents are also associated with higher EPS production, which implies increasing the frequency of membrane washing. The extreme cases in hydrogen production correspond to those influents with 100 % amino acids and those with 100 % fatty acid composition. With a base of 10 g/L of organic matter in the influent, there is a production of 6.1 LH2 /L − d for the case of 100 % amino acids, with a backwash frequency of 30 minutes; while for the case of 100 % fatty acids, there is a production of 0.7 LH2 /L − d, with a backwash frequency of 60 minutes. Note that all the cases that correspond to a combination between amino acids, sugars, and fatty acids are in the mentioned ranges. On the other hand, the model is sensitive to temperature, hydraulic retention time, and solids retention time. In this sense, hydrogen production is favored when operating under mesophilic conditions, with HRT around 12 hours and SRT around 6 days.