modelación de procesos bioquímicos en aguas superficiales mediante un código de transporte...
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Modelación de procesos Modelación de procesos bioquímicos en aguas bioquímicos en aguas
superficiales mediante un superficiales mediante un código de transporte código de transporte
reactivoreactivo
Modelación de procesos Modelación de procesos bioquímicos en aguas bioquímicos en aguas
superficiales mediante un superficiales mediante un código de transporte código de transporte
reactivoreactivo
Javier Pareja Javier Pareja BernalBernal
Enginyeria Enginyeria GeològicaGeològica
TesinaTesina
ÍndiceÍndice1.1. MotivaciónMotivación
2.2. AntecedentesAntecedentes
3.3. ObjetivosObjetivos
4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico
5.5. AplicaciónAplicación
6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
7.7. ConclusionesConclusiones
1.1. MotivaciónMotivación
2.2. AntecedentesAntecedentes
3.3. ObjetivosObjetivos
4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico
5.5. AplicaciónAplicación
6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
7.7. ConclusionesConclusiones
Imágenes de contaminación residual en Imágenes de contaminación residual en aguas superficialesaguas superficiales
NHNH4 4 NONO22
NONO3 3 HPO HPO44
OO2 2
disueltodisuelto
++
++
M.O.M.O.
1.1. MotivaciónMotivación
2.2. AntecedentesAntecedentes
3.3. ObjetivosObjetivos
4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico
5.5. AplicaciónAplicación
6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
7.7. ConclusionesConclusiones
AntecedentesAntecedentes
• Metodología ‘ad hoc’ para la resolución de problemas bioquímicos para aguas superficiales.
• Saaltink et al. (2005) se utiliza una formulación formal y generalizada para la resolución de problemas para un medio poroso.
1.1. MotivaciónMotivación
2.2. AntecedentesAntecedentes
3.3. ObjetivosObjetivos
4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico
5.5. AplicaciónAplicación
6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
7.7. ConclusionesConclusiones
ObjetivosObjetivos
• Adaptar un modelo que utiliza una descripción matemática formal y generalizada para aguas superficiales.
• Cuantificar y entender los procesos bioquímicos que suceden.
1.1. MotivaciónMotivación
2.2. AntecedentesAntecedentes
3.3. ObjetivosObjetivos
4.4. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Procesos químicos 3.1 Procesos químicos
3.2 Especies bioquímicas 3.2 Especies bioquímicas
3.3 Procesos metabólicos3.3 Procesos metabólicos
3.4 Coeficientes estequiométricos3.4 Coeficientes estequiométricos
3.5 Cinética metabólica3.5 Cinética metabólica
5.5. AplicaciónAplicación
6.6. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
7.7. ConclusionesConclusiones
Procesos metabólicosProcesos metabólicosMicroorganismos Obtención energía
Procesos que realizan
Bacterias Heterótrofas (XH)
Quimoorganotrófico:
Materia orgánica disuelta (Ss)
Crecimiento por degradación de
materia orgánica, condiciones
aeróbicas y/o anaeróbicas.Respiración aeróbica y
anaeróbica.
Bacterias nitrificadoras 1er
estadio (XN1)
Quimolitotrófico:Amonio (NH4
+)
Crecimiento por oxidación del
Amonio a Nitrito.Respiración.
Microorganismos Obtención energíaProcesos que
realizan
Bacterias nitrificadoras 2o
estadio (XN2)
Quimolitotrófico:Nitrito (NO2
-)
Crecimiento por oxidación del
Nitrito a Nitrato.Respiración.
Algas y micrófitos (XALG)
Fotolitotrófico: Energía radiante
Crecimiento con Amonio y Nitrato.
Respiración.Muerte.
Organismos Consumidores
(XCON)
Quimoorganotrófico:
Otros organismos
Crecimiento por depredación de
otros organismos.Respiración.
Muerte.Destacar que se han modelado 24 procesos Destacar que se han modelado 24 procesos
cinéticoscinéticos
Procesos QuímicosProcesos Químicos• Reaireación:Reaireación:
– O2 (atm) : KH (25ºC) = 790.7 (atm kg/mol) PO2 = 0.2 (atm) [O2 sat] = 2.5·10-4 (mol/kg)
rO2(atm)= kO2(atm)· ΔO2
– CO2 (atm) : KH (25ºC) = 1536 (atm kg/mol) PCO2 = 3.25·10-4 (atm) [CO2 sat] = 2.1·10-7 (mol/kg)
rCO2(atm)= kCO2(atm)· ΔCO2
• Reacciones en Equilibrio Reacciones en Equilibrio
'CO2' + 'H2O' 'H+' + 'HCO3-' ; logKeq = -6.3447
'CO32-' + 'H+' 'HCO3
-' ; logKeq = 10.3288
'OH-' + 'H+' 'H2O' ; logKeq = 13.9951
'PO43-' + 'H+' 'HPO4
2-' ; logKeq = 12.3218
'H2PO4-' 'H+' + 'HPO4
2-' ; logKeq = -7.2054
'NH3' + 'H+' 'NH4+' ; logKeq = 18.0385
Procesos QuímicosProcesos Químicos
Especies bioquímicasEspecies bioquímicas
Ss: Materia orgánica disuelta. CαC,Ss/12 HαH,Ss OαO,Ss/16 NαN,Ss/14 PαP,Ss/31
Xs: Partículas de materia orgánica en suspensión. CαC,XS/12 HαH,XS OαO,XS/16 NαN,XS/14 PαP,XS/31
XH: Bacterias heterótrofas. CαC,XH/12 HαH,XH OαO,XH/16 NαN,XH /14 PαP,XH /31
XN1: Bacterias que oxidan el amonio a nitrito. CαC,XN1/12 HαH,XN1 OαO,XN1/16 NαN,XN1/14 PαP,XN1/31
Sustancias orgánicas disueltas:
XN2: Bacterias que oxidan el nitrito a nitrato.CαC,XN2/12 HαH,XN2 OαO,XN2/16 NαN,XN2/14 PαP,XN2/31
XALG: Algas que crecen con sustancias nitrogenadas. CαC,XALG/12 HαH,XALG OαO,XALG/16 NαN,XALG/14 PαP,XALG/31
XCON: Organismo depredadores de otro tipo de organismos incluyendo partículas de materia orgánica particulada.
CαC,XCON/12 HαH,XCON OαO,XCON/16 NαN,XCON/14 PαP,XCON /31
Especies bioquímicasEspecies bioquímicas
Se define Pm.sust.org.= 1(g/mol)
Coeficientes Coeficientes estequiométricosestequiométricos
Símbolo Descripción Unidad
YH,aer Rendimiento para el crecimiento aeróbico de heterotróficos gXH/gSs
YH,anox,NO3 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrato
gXH/gSs
YH,anox,NO2 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrito
gXH/gSs
fI,BAC Fracción en la respiración heterotróficas y autotróficas que se convierte en biomasa inerte
gXI/gXH
YN1 Rendimiento para el crecimiento del 1er estadio de los nitrificadores gXN1/gNH4-N
YN2 Rendimiento para el crecimiento del 2o estadio de los nitrificadores gXN2/gNO2-N
fI,ALG Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de las algas
gXI/g(Xs+XI)
Coeficientes de rendimiento:
Símbolo Descripción Unidad
YALG,death Rendimiento de la muerte de algas g(Xs+XI)/gXALG
YCON Rendimiento de consumición gXCON/gXALG
fe Fracción de biomasa incorporada que es excretada como pelets fecales
gXS/gXCON
fI,CON Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de los consumidores
gXI/g(Xs+XI)
YCON,death Rendimiento de la muerte de los consumidores g(Xs+XI)/gXCon
YHYD Rendimiento por hidrólisis gSs/gXs
Coeficientes Coeficientes estequiométricosestequiométricos
Coeficientes de rendimiento (cont):
DATODATOSSSNH4= SXH·αN,XH/14 – SSs·αN,Ss/14 (molN/molXH) [BALANCE DE
N]SHPO4= SXH·αP,XH/31 – SSs·αP,Ss/31 (molP/molXH) [BALANCE DE P]
SHCO3= SSs·αC,Ss/12 – SXH·αC,XH/12 (molC/molXH) [BALANCE DE C]
SH= 4·SNH4 - SHCO3 + SHPO4 + SSs - SXH (molH/molXH) [BALANCE DE CARGA]SH2O=0.5·SH – SHCO3 – 1.5·SNH4 – 1.5·SHPO4 (molH2O/molXH) [BALANCE DE H]El oxigeno se ajusta,
SO2= SSsαO,Ss/32 + 0.75SNH4 - SXHαO,XH/32 - 0.25SH - SHCO3 - 1.25SHPO4
(molO2/molXH)
El cálculo de los coeficientes estequiométricos,
SXH = 1 (molXH) SSs=-1/YH,aer(molSs/molXH)
La formulación química de la reacción Aer.GrowthHET(NH4) es,Sss Ss +SNH4 NH4 + SH2OH2O +SHPO4HPO4 + SO2O2
SXHXH +SHCO3HCO3 + SHH
Coeficientes Coeficientes estequiométricosestequiométricos
Constantes cinéticas de 1er orden ( s-1) y las Constantes de inhibición y media saturación (mol/l) del modelo de transporte reactivo,
kgro_h_aer kgro_con__alg
kgro_h_anox kgro_con__Xs
kresp_h_are kgro_con__Xh
kresp_h_anox kgro_con__Xn1
kgro_N1 kgro_con__Xn2
kresp_N1 kresp_con
kgro_N2 kdea_con
kresp_N2 khyd
kgro_alg kO2
kresp_alg kCO2
kdea_alg
KHPO4_alg KNO2_h_anox
KHPO4_h_aer KNO2_N2
KHPO4_h_anox KO2_alg
KHPO4_N1 KO2_con
KHPO4_N2 KO2_h_aer
KN_alg KO2_N1
KNH4_alg KO2_N2
KN_H_aer Ks_h_aer
KNH4_N1 Ks_h_anox
KNO3_h_anox
Cinética metabólicaCinética metabólica
Utilizando una reacción cinética del modelo se obtiene,
HaerhetHPOaerhetNaerhetN
aerhetN
aerhetOaerhetSaergrohetNOetaergrowthh X
HPOK
HPO
NOK
NO
NHK
K
OKO
SsK
Sskr ···
4···
4,,4
4
3,,
3
,,
,,
2,,2
2
,,)3(
K conc.
0.5
1
CK
C
K
0.5
1
conc.
CK
K
1.1. AntecedentesAntecedentes
2.2. ObjetivosObjetivos
3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Procesos químicos 3.1 Procesos químicos
3.2 Especies bioquímicas 3.2 Especies bioquímicas
3.3 Procesos metabólicos3.3 Procesos metabólicos
3.4 Coeficientes estequiométricos3.4 Coeficientes estequiométricos
3.5 Cinética metabólica3.5 Cinética metabólica
4.4. AplicaciónAplicación
5.5. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
6.6. ConclusionesConclusiones
Geometría y flujoGeometría y flujoPunto de vertido Punto de vertido de Agua residualde Agua residualP.K.vertido=1102,5m Qvertido= 0,3 m3/s
Q= 20 m3/sÁrea=100m2
Q= 20,3 m3/sÁrea=100m2
h= 2,5 m
Pendiente del río = 1º/ºº
L = 98000 (m)
Las especies orgánicas e inorgánicas
Fracciones másicas
Coeficientes de rendimiento
Constantes cinéticas
Parámetros del modelo Parámetros del modelo bioquímicobioquímico
Se adoptan los valores aportados por el artículo del RWQM de P. Reichert (2001)
Cálculo de los coeficientes Cálculo de los coeficientes estequiométricosestequiométricos
Condiciones inicial y de contornoCondiciones inicial y de contorno Especie Concentración inicial
río (mol/l)Concentración inicial
vertido (mol/l)
'HCO3' 3.2E-05 (CO2(atm)) 1.43E-03
'HPO4' 1.04E-07 2.08E-03
'H' 1.86E-07 6.32E-07
'NH4' 5.71E-07 3.67E-05
'NO3' 6.43E-06 1.94E-05
'O2' 2.6E-04 (O2(atm)) 1.00E-10
'NO2' 1.43E-07 4.35E-04
N2' 4.9E-04 (N2gas) 4.9E-04 (N2gas)
'SS' 4.75E-08 4.00E-01
'XH ' 1.00E-09 2.56E-02
'XN1' 1.00E-10 1.46E-04
'XN2' 1.00E-10 2.56E-05
'XALG' 1.12E-07 1.00E-10
'XS' 1.00E-10 2.78E-05
'XCON' 1.12E-07 1.00E-10
'XI' 1.00E-10 7.46E-05
Índice Índice DQO:DQO:
3.55·103.55·10-4-4 (mol/L) (mol/L)
11.37 11.37 (mg/L)(mg/L)
ResultadosResultados
Evolución del Oxigeno disuelto Evolución del Oxigeno disuelto
Procesos que controlan el Procesos que controlan el oxigeno disueltooxigeno disuelto
Evolución bacterias heterótrofasEvolución bacterias heterótrofas
Procesos de fuente/sumidero Procesos de fuente/sumidero de bacterias heterótrofasde bacterias heterótrofas
Evolución de la materia Evolución de la materia orgánicaorgánica
Procesos de fuente/sumidero Procesos de fuente/sumidero de materia orgánica disueltade materia orgánica disuelta
Evolución de nutrientesEvolución de nutrientes
Evolución de las bacterias Evolución de las bacterias nitrificadorasnitrificadoras
1.1. AntecedentesAntecedentes
2.2. ObjetivosObjetivos
3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Especies bioquímicas 3.1 Especies bioquímicas
3.2 Procesos químicos3.2 Procesos químicos
3.3 Coeficientes estequiométricos3.3 Coeficientes estequiométricos
3.4 Cinética metabólica3.4 Cinética metabólica
4.4. AplicaciónAplicación
5.5. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
6.6. ConclusionesConclusiones
Análisis de sensibilidad Análisis de sensibilidad paramétricaparamétrica
• Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes en la población que se genera el vertido.
• Análisis de un agua compuesta por diferente concentración de bacterias (XH, XN1 y XN2) y por tanto provoca una DQO diferente.
Sensibilidad resultados qSensibilidad resultados qvertidovertido
• Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes de población.
Población Media por habitante Caudal de agua residual
Flujo de agua residual
1 86400 100 (l/dia*hab) 0.1 (m3/s) 1 (Kg/m2·s)
2 250000 100 (l/dia*hab) 0.3 (m3/s) 3 (Kg/m2·s)
3 600000 100 (l/dia*hab) 0.7 (m3/s) 7 (Kg/m2·s)
4 925000 100 (l/dia*hab) 1.07 (m3/s) 10.7 (Kg/m2·s)
5 4000000 100 (l/dia*hab) 4.63 (m3/s) 46.3 (Kg/m2·s)
Evolución del oxigeno disueltoEvolución del oxigeno disuelto
0
1
2
3
0 20 40 60 80 100Dist (Km)
q=1 (Kg/m2·s) q=3 (Kg/m2·s)q=7(Kg/m2·s) q=10.7 (Kg/m2·s)q=46.3 (Kg/m2·s)
Conc. (10-4 molO2/L)
Evolución de la materia orgánicaEvolución de la materia orgánica
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 20 40 60 80 100Dist (Km)
q=1 (Kg/m2·s) q=3 (Kg/m2·s)q=7(Kg/m2·s) q=10.7 (Kg/m2·s)q=46.3 (Kg/m2·s)
Conc. (10-2 molSs/L)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0 20 40 60 80 100Dist (Km)
q=1 (Kg/m2·s) q=3 (Kg/m2·s)q=7(Kg/m2·s) q=10.7 (Kg/m2·s)q=46.3 (Kg/m2·s)
Conc. (10-2 molXH/L)
• Procesos de degradación de materia orgánica
• Condiciones anaeróbicas
Evolución de procesos de Evolución de procesos de desnitrificacióndesnitrificación
Sensibilidad por variación de Sensibilidad por variación de la cantidad de bacteriasla cantidad de bacterias
Especie Patrón Patrón·101 Patrón·10-1
XH 2.56E-02 2.56E-01 2.56E-03
XN1 1.46E-04 1.46E-03 1.46E-05
XN2 2.56E-05 2.56E-04 2.56E-06
PatrónPatrón·10
1
Patrón·10-
1
Índice DQO
3.55E-04 5.30E-04 3.38E-04 (mol/l)
11.37 16.97 10.81 (mg/l)
La recuperación de oxigeno,
en función de:
•Carga bacterial: Bacterias ΔO2
•Nitrificación de 1er estadio y de 2º estadio
Evolución del OEvolución del O22 disuelto, S disuelto, Sss y X y XHH
Evolución de nutrientes y Evolución de nutrientes y bacterias nitrificadorasbacterias nitrificadoras
1.1. AntecedentesAntecedentes
2.2. ObjetivosObjetivos
3.3. Modelo BioquímicoModelo Bioquímico3.1 Especies bioquímicas 3.1 Especies bioquímicas
3.2 Procesos químicos3.2 Procesos químicos
3.3 Coeficientes estequiométricos3.3 Coeficientes estequiométricos
3.4 Cinética metabólica3.4 Cinética metabólica
4.4. AplicaciónAplicación
5.5. Análisis de sensibilidad paramétricaAnálisis de sensibilidad paramétrica
6.6. ConclusionesConclusiones
ConclusionesConclusiones• Descripción formal y generalizada:
– especies– matriz estequiométrica– leyes cinéticas
• Modelación la contaminación de un río, con un modelo de transporte reactivo multicomponente:– degradación aeróbica de la materia orgánica disuelta – clara bajada de la concentración de oxigeno – crecimiento de los microorganismos
• Destacar que:– secuencia de progresión de los metabolismos en la degradación de agua residual.– gran cantidad de parámetros (QH2O río, Qvertido H2O residual, la composición química
de las sustancias orgánicas y las concentraciones de las sustancias en el río y en el agua residual).