Sedimentacion (PowerPoint)

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA HIDRÁULICA Y

MEDIO AMBIENTEU.P.V.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

U.V.

MODELACIMODELACIÓÓN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIN DE LOS PROCESOS DE SEDIMENTACIÓÓN EN N EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALESESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES

Universidad del Norte Encuentros Ambientales

Dr. JOSEP RIBES BERTOMEU

Barranquilla, 2005

2

Índice

Introducción

Procesos de sedimentación

Modelación de los procesos de sedimentación

Modelo implementado en DESASS

Aplicaciones del modelo

3

Introducción

Importancia de la decantación en las EDARs

Eliminación de la mayor parte de los contaminantes particulados del agua residual

Garantizan el cumplimiento de los criterios de vertido.

Afectan al diseño de la línea de fangos

Influyen en los procesos biológicos de eliminación de nutrientes

Desnitrificación en decantadores secundarios

Liberación de fósforo y amonio en espesadores

4

Introducción

Necesidad de modelar la Sedimentación

¿Cómo se simulaban las plantas?

Aproximaciones:Cero• Tiempo de residencia de los fangos

Prefijada• Concentración del fango espesado

Prefijada (secundarios)

Estimada con TRH (primarios)

• Concentración del efluente

reactoragitado

concentrador

5

Introducción

Posibilidades de simulación de procesos

Condiciones de sedimentación de los sólidos.Velocidad de sedimentación.

Propiedades de floculación.

Capacidad de compactación del fango.

Actividad biológica en los fangosTiempo de residencia

Concentración de biomasa activa

Concentración de sustrato y nutrientesCondiciones ambientales (pH, temp., aceptor electrones,…)

6

Índice

Introducción





7


Bases teóricas de la sedimentación

Separación de las fases sólida líquida por gravedad.

Operación importante desde finales de siglo XIX, con la extracción de minerales.

Mecanismos de sedimentación:

Son función de: * Concentración de la suspensión* Tendencia de los sólidos a agruparse

Regímenes de sedimentación diferenciados:

Sedimentación discreta (Tipo I)

Sedimentación floculada (Tipo II)

Sedimentación Zonal (Tipo III)

Compresión (Tipo IV)

8


9


Sedimentación discreta (Tipo I)

Fn: Fuerza gravitacional efectiva

Fa: Fuerza de rozamiento

( ) ppfgn VgFFF ⋅⋅−=−= ρρ2

21 vACF pDa ⋅⋅⋅⋅= ρ ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −⋅=

ρρρ p

p

p

D AV

Cgv 2

CD: Coeficiente de rozamiento

10



Las partículas muestran una tendencia natural a aglomerarse aumentando de tamaño.Su velocidad de sedimentación discreta aumenta con el tiempo de floculación

11



Factores que afectan a la floculación:

Características de la suspensión (fango activado, agua residual,…)

Distribución de tamaños de partícula

Capacidad de floculación (biofloculación en fangos activados)

Concentración de oxígeno (segregación de polímeros extracelulares)

Sistema de aireación utilizado (turbulencias en el reactor)

Características hidrodinámicas del tanque

Tiempo de retención hidráulico

Nivel de turbulencia o intensidad de agitación

12


Sedimentación zonal o impedida (Tipo III)Al aumentar la concentración aumentan las interacciones entre las partículas.La suspensión sedimenta en bloque, manteniendo las posiciones relativas entre las partículas.Su velocidad de sedimentación depende únicamente de la concentración.Comportamiento observado a partir de 1000 mg/l

13


Sedimentación discontinua

Fases formadas en una probeta

14


Velocidad de sedimentación zonal:

La velocidad de sedimentación es función de la concentración de sólidos existente inicialmente en la suspensión.

El modelo matemático más aceptado y utilizado es el modelo exponencial de Vesilind (1968)

VSZ = V0 · exp(-n·X)

15


Velocidad de sedimentación zonal:Obtención experimental de los parámetros del modelo:

16


Compresión (Tipo IV)Se produce en el fondo de los decantadores y espesadores por acumulación de los sólidos.

El peso de los sólidos acumulados comprime el fango de las capas inferiores por contacto directo.

El agua es exprimida fuera del fango.

La compresión depende de:La presión intersticial.La compresibilidad del fango.La permeabilidad del fango.

17


Correlación empírica para la compresión (Merkel, 1971)

18


Medidas de la sedimentabilidad

Índice Volumétrico del Fango (IVF)

Índice Volumétrico del Fango Diluido (IVFD)

Índice Volumétrico Específico Agitado a 3.5 g/l (IVEA3.5)

19


Medidas de la sedimentabilidadÍndice Volumétrico del Fango (IVF)

Volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango seco después de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro.

VF30: Volumen ocupado en 30 min. de sedimentación

Inconvenientes del IVFDepende de la conc. Inicial

Índice Volumétrico del Fango (IVFD)

Índex Volumètric Específic Agitat a 3.5 g/l (IVEA3.5)

XVFIVF 30=

20


Medidas de la sedimentabilidad

Índice Volumétrico del Fango Diluido (IVFD)El VF30 debe estar comprendido entre 150 y 250 ml/l.

En caso contrario, se diluye el fango hasta conseguirlo (VFD30)

Existen correlaciones para obtener el valor de IVF a partir del IVFD

dilXVFDIVFD 30=

6.030

300VFIVFDIVF ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

Merkel (1971)

Válida para VF30 entre 250 y 800 ml/l

21


Medidas de la sedimentabilidadÍndice Volumétrico Específico Agitado a 3.5 g/l (IVEA3.5)

Volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango después de decantar 30 minutos en una probeta estándar de 100 mm de diámetro y 500 mm de altura, agitada suavemente (a 1 rpm) y partiendo de una concentración inicial estándar de 3.5 g/l.

Es el mejor parámetro de los tres, pero más difícil de obtener.

22


Correlaciones empíricas:La obtención de los parámetros de sedimentación zonal (V0 y n) requiere mucho tiempo experimental.

Se han propuesto diversas correlaciones empíricas:

Referència Paràmetre utilitzat

Nombre de dades

Rang estudiat (ml/g)

Correlació per a V0

(m/h)Correlació per a rh

(m3/kg)

Härtel i Pöpel (1992) IVF - - - - - - 17.4·e-0.0113·IVF + 3.931 1.043 - 0.9834·e-0.00581·IVF

Daigger i Roper (1985) IVF 236 36 - 402 7.8 0.148 + 0.0021·IVF

Daigger (1995) IVF > 1500 36 - 402 6.5 0.165 + 0.001586·IVF

Pitman (1984) IVF 697 45 - 360 10.4 - 0.0148·IVF 0.29·e0.016·IVF

Wahlberg i Keinath (1988a) IVF 185 48 - 235 18.2·e-0.00602·IVF 0.351 + 0.00058·IVF

Mines et al. (2001) IVF - - - 27 - 236 7.27 0.0281 + 0.00229·IVF

Wahlberg i Keinath (1988a) IVFA 3.5 185 35 - 220 24.3·e-0.01073·IVFA 3.5 0.245 + 0.00296·IVFA 3.5

Wahlberg i Keinath (1988b) IVFA 3.5 185 35 - 220 15.3 - 0.0615·IVFA 3.5 0.426 -0.0038·IVFA 3.5

+5.43·10-5·(IVFA 3.5)3

23

Índice

Introducción





24

Modelos de sedimentación

Evolución históricaLos primeros modelos se basaban en muchas asunciones:

Condiciones de flujo ideal.Tanques ideales sin turbulencia.Partículas discretas sin cohesión entre ellas.No consideraban los procesos de compactación en el fondo del decantador.

La teoría del flujo de Kynch (1952) supuso un cambio importante en el diseño y simulación de sedimentadores.

La mayoría de los modelos actuales se basan en las consideraciones de esta teoría.

25


Teoría del flujo de Kynch (1952)

La velocidad de sedimentación de una partícula depende únicamente de la concentración local de partículas.

Todas las partículas tienen la misma forma, tamaño y densidad.

La concentración de partículas es constante en cada sección horizontal del decantador.

En procesos de sedimentación continua:Flujo total = Flujo de sedimentación + Flujo por arrastre

26


Teoría del Flujo de Sólidos: Modelos unidimensionales

Modelos de flujo:UnidimensionalBidimensionalTridimensional

Sistema físico unidimensional

Sólidos floculentos ycompresibles

dirección vertical

vertical y horizontal

27


Modelos de sedimentación más importantesSe basan el la teoría del flujo de sólidos de Kynch

El flujo másico se calcula como la suma del flujo de sedimentación y el flujo por arrastre.

28


Modelos de sedimentación más importantesLa principal diferencia se encuentra en la forma de aplicar los balances y el modelo utilizado para la velocidad de sedimentación

Modelos de sedimentación para fangos activados:

Modelo de Laikari (1989)

Modelo de Takács (1991)

Modelo de Otterpohl y Freund (1992)

Modelo de Dupont y Henze (1992)

Modelo de Hamilton (1992)

Modelo de Diehl y Jeppsson (1998)

29

Índice

Introducción



Modelo implementado en DESASS (BNRM1)


30

MODEL

Modelo desarrollado

Modelo unidimensional Basado en la teoría delflujo de Kynch:

BST JJJ +=

( ) ( ) XXVXJ SS ⋅=

JS: Flujo de sedimentación

JB: Flujo por arrastre

XVJ B ⋅=

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

≤=

>=

=

fR

D

fE

U

zzsiA

QV

zzsiA

QV

VBalance de sólidos: ( ) ( ) 0=

∂⋅∂

+∂⋅∂

+∂∂

zXV

zXV

tX S( ) ( ) 0=+

∂⋅∂

+∂⋅∂

+∂∂

XS G

zXV

zXV

tX

31

Modelo de sedimentación

Solución matemática del sistemaLa ecuación diferencial se resuelve mediante la división de la altura total de sedimentación en intervalos discretos (capas)

Cada capa horizontal Reactor de tanque agitado

Posibilidad de cálculo de los procesos biológicos en cada capa. Balances de materia con reacción

Las entradas y salidas de materia en cada capa vienen dadas por los flujos de sólidos y agua.

( ) ( )X

SSTSSSTSST GhXV

hXV

tX +

∂⋅∂+

∂⋅∂=

∂∂−

32


División en capas:

Zona de clarificación

Flujo por arrastre:ascendente

Flujo de sedimentación:descendente

[ ]nii,Xii,S1i1i,Sii,U1i1i,U1nni hGXVXVXVXV

tXh

∆⋅+⋅−⋅+⋅−⋅=∂∂⋅∆

++−−+→

33


División en capas:

Zona de sedimentación

Flujo por arrastre:descendente


[ ]nii,Xii,S1i1i,Sii,D1i1i,D1nni hGXVXVXVXV

tXh

∆⋅+⋅−⋅+⋅−⋅=∂∂⋅∆

++−−+→

34


División en capas:

Capa de alimentación

Flujo de entrada

Flujo por arrastre:ascendente y descendiente


( )n

ii,Xii,S1i1i,Sii,Di,UFf

F1nni hGXVXVXVVXAQ

tXh

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∆⋅+⋅−⋅+⋅+−⋅=

∂∂⋅∆

+++→

35

MODEL


Condiciones de contorno y aproximaciones:El flujo de la entrada se distribuye inmediatamente en ascendente y descendente (flujo unidimensional)

La velocidad de sedimentación es cero en el fondo del decantador y en el efluente. Los caudales de salida determinan el flujo de sólidos

La concentración de sólidos en cada capa se mantiene homogénea en todo el volumen (tanque agitado)

La velocidad de sedimentación en cada capa depende únicamente de la conc. de sólidos, excepto en las capas inferiores, donde también depende del factor de compresión

Condición de flujo mínimo

36


Cálculo de los flujos de sedimentación (I)El flujo de sedimentación de las especies particuladas se obtiene a partir de la concentración total de sólidos suspendidos.

El modelo biológico distingue 13 especies particuladas:

También incluyen los sólidos no volátiles presentes en el agua de entrada (XNV)

XACET, XACID, XAUT, XH, XI, XMAC, XMeOH, XMeP, XMH2, XPAO, XPHA, XPP, XS

XSST (sólidos suspendidos totales)

37


Cálculo de los flujos de sedimentación (II)Componentes solubles:

La velocidad con que se mueven las especies solubles entre las capas corresponde a la velocidad del agua en el decantador.

Componentes particulados:La velocidad con que se mueven las especies particuladas entre las capas coincide con la calculada para XTSS.

Objetivo del modelo de sedimentación:Estimar la velocidad con que sedimentan los sólidos suspendidos en el sistema.

38


Modelo de la velocidad de sedimentación:

Necesario para estimar la velocidad con que sedimentan los sólidos suspendidos en el sistema

Limitaciones del modelo de Vesilind:

Sólo es aplicable en condiciones de sedimentación zonal

La velocidad de sedimentación sería máxima para bajas concentraciones.

No puede simular los procesos de floculación que se dan en decantadores primarios y secundarios.

No puede simular los procesos de compresión de los fangos que se dan en los espesadores y en el fondo de los decantadores.

39


Modelo de Takács et al. (1991):Para sedimentación floculada y zonal

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ −⋅= ⋅−⋅− ee V, V min , 0 maxV

*P

*h XrXr

0'0S con, X* = X - fns·XF

40


Función de sedimentación utilizada:

( ) ( ) ( ) ( )( )( )[ ]minmin0

'0 ,min,0max XXrXXr

Sph eeVVzXV −⋅−−⋅− −⋅⋅Ω=

( )tzfX ,= Concentración de sólidosTakács et al. (1991)Factor de Compresión

fns XfX ⋅=min Concentración de sólidos no sedimentables

nsph frrVV ,,,, 0'

0 Parámetros del modelo de sedimentación

41

MODEL


Efecto de la compresión del fango:Ecuación empírica utilizada:

( )( )[ ] n

t

nt

z,zBzBz −

−

⋅−⋅−

=Ωmin1

1

nch

IVFIVFB ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

+−= 1100

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅

+=IVF

IVFn100

21 ( )fct zhz ,2min ⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

−=c

ff

hcc X

zXrX

h 11IVF

X c480

=

( ) ( )XVzV SS ⋅Ω=

Otterpohl y Freund (1992)

42


Ventajas del modelo de sedimentación:Incluye los procesos de sedimentación floculada, sedimentación zonal y compresión.

Puede ser utilizado para decantadores primarios, decantadores secundarios y espesadores.

Permite la inclusión de los procesos biológicos en los decantadores, considerando cada capa como un reactor de tanque agitado.

Permite la simulación de los siguientes procesos:Fermentación-elutriación de ácidos volátiles en dec. primarios.Desnitrificación en decantadores secundarios.Suelta de fósforo y amonio en espesadores (lisis celular)

43

Índice

Introducción





44


Utilidad en el diseño y simulación de plantas.

Conocer las concentraciones de efluente y purga en decantadores y espesadores.Conocer la altura del manto de fangos.

Simular los procesos biológicos que se producen en los decantadores y espesadores:

Fermentación-elutriación de ácidos volátiles en dec. primarios.Desnitrificación en decantadores secundarios.Suelta de fósforo y amonio en espesadores (lisis celular)

45

Avaluació del model

Diseño y simulación de una planta completa

46

Aplicaciones del modeloPerfiles típicos obtenidos en un decantador primario con un proceso de fermentación - elutriación

0.00

0.83

1.65

2.48

3.30

6 6.5 7 7.5 8pH

Altu

ra e

n el

dec

anta

dor (

m)

0 150 300 450 600Ácidos volátiles (mg COD l-1)pH AGV

47

Aplicaciones del modeloPerfiles típicos obtenidos en un decantador secundario con eliminación de nitrógeno

0.00

0.83

1.65

2.48

3.30

0 2000 4000 6000 8000Sólidos Suspendidos (mg l-1)

Altu

ra e

n el

dec

anta

dor (

m)

0 1 2 3 4Concentración de nitrato (mg N l-1)SS

Nitrato

Sedimentación zonal

Compresión

48


Perfiles obtenidos en un espesador alimentado con fango procedente de un proceso de eliminación biológica de P.

49


Simulación del funcionamiento de una plantaAumento del caudal de entrada 3·Q a las 6 horasEfluente de los decantadors primarios y secundarios:

0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8Temps (d)

Con

c. s

òlid

s ef

luen

t (m

g · l

-1)

Dec. primari Dec. secundari

50


Simulación decantador primario

51


Simulación decantador secundario

52


Resultados de las simulacionesEl modelo representa correctamente los procesos biológicos y de sedimentación

Utilidad para el diseño de plantas completas

Diagnóstico y optimización de plantas existentes

Aplicación a casos realesDiseño (Dénia-Ondara, Penyíscola, Beneixida...)

Solución de problemas operacionales (Elx-Algorós, Elda, Sagunt, Bunyol-Alborache, Vila-Real,...)

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Implementación en DESASS

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Validación del modelo

Experimentos de laboratorio

Sedimentación discontinua en probeta

Parámetros de sedimentación zonal

Fracción de sólidos no sedimentables

Experimentación en planta piloto

Validación del modelo de sedimentación unido al modelo biológico

Parámetros de sedimentación

Parámetros cinéticos y estequiométricos

56



57


Experimentos de laboratorioExp X (g/m3) Vs (mm/min) Vs (m/dia) IVF (ml/g)

1 1592 102.0 146.9 56.5

2 2500 93.5 134.6 50.0

3 2263 85.0 122.4 57.4

4 2262 119.0 171.4 46.4

5 1175 136.0 195.8 **

6 2368 83.0 119.5 50.7

7 1169 91.1 131.2 **

8 5000 47.6 68.5 50.0

9 4000 53.8 77.5 47.5

10 7000 30.7 44.3 48.6

11 8900 14.2 20.4 51.7

** Datos no disponibles.

58



Obtención de los parámetros de sedimentación zonal

V0 = 235 m/dia rh = 2.6·10-4 m3/g

59


Experimentos en planta piloto

Efluente del decantador primario

60



Características de diseño del decantador

Diámetro (m) 0,50 Altura total (m) 0,90 Altura zona sedimentación (m) 0,45 Pendiente cono (%) 173 Volumen (l) 112 Carga superficial (m3·m-2·h-1) 0,2 Tiempo de retención hidráulico (h) 2,8 Carga sobre vertedero (m3·m-1·h-1) 0,025

61



Ensayos realizados:

Caudal de entrada: 40 l/h

Parámetros de operaciónTiempo de retención de sólidos (TRS)Caudal de recirculación (QR)

Exp. Tiempo de retención de sólidos (días)

Caudal de recirculación

(l/h)1 3.8 1.52 3.7 23 4 7 2

62



Determinación del estado del proceso:

Variables medidas diariamente:Caudales de entrada, recirculación y purga.Concentración de sólidos y de ácidos volátiles en la entrada, efluente y purga del decantador.Altura del manto de fangos en el decantador.

Analíticas en el estado estacionario:

DQO, sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), fósforo, amonio, alcalinidad y ácidos volátiles.

63



Resultados experimentales

En el fondo del decantador se produce gran cantidad de ácidos volátiles.

La recirculación del fango incrementa la concentración

Ácidos volátiles (mg/l)

Exp. TRS (d) QR (l/h) Entrada Efluente Purga

123

3.83.74.7

1.522

Producción

AGV (mg/h)

9.1 21.1 448.2 4807681016

18.5 37.7 536.46.2 31.6 575.0

64


Simulación en DESASSCaracterización del agua de entrada

Experimento 1 Experimento 2

Experimento 3

Q : Caudal entrada (l/h) 40.0 40.0 40.0Qr :Caudal recirculación (l/h) 1.5 2.0 2.0Qp Caudal purga (l/h) 0.065 0.069 0.060θc :Tiempo de ret. sólidos (días) 3.8 3.7 4.7

SF (mg DQO/l) 32.3 43.3 83.8

SA (mg DQO/l) 6.4 12.1 4.3

SPRO (mg DQO/l) 2.7 5.2 1.9

SNH4 (mg N/l) 34.6 37.7 34.5

SPO4 (mg P/l) 3.9 4.2 3.4

SALK (mg CaCO3/l) 8.4 8.4 8.7

XI (mg DQO/l) 119.0 48.0 80.7

XS (mg DQO/l) 149.0 301.0 186.3

XTSS (mg SS/l) 205.1 297.4 226.5

65


Simulación en DESASSResultados de la simulación

Variables medidas

Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3Purga Efluente Purga Efluente Purga Efluente

El modelo matemático pudo representar satisfactoriamente tanto la sedimentación de los sólidos, como la generación de ácidos volátiles y su elutriación.

66


Simulación en DESASS

Perfil de pH y ácidos volátiles en el decantador

Altura desde el fondo (m)

67


Sedimentación floculada (Tipo II)El tiempo de retención en las zonas de floculación será un parámetro importante.Floculación de los fangos activados:

Dos procesos opuestos:

Formación de flóculos

Rotura de flóculos

Distribución bimodal detamaños de partícula

GnXkGXkdtdn

Am

B ⋅⋅⋅−⋅⋅=

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