Desarrollo e integración de modelos mecanísticos de proceso para la evaluación de odorantes y GEI de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas

Abstract

El ser humano necesita el agua, tanto a nivel fisiológico como para las actividades urbano-industriales, ya sea como materia prima, solvente o vector energético. Como consecuencia de los procesos de transformación a los que se somete el agua, ésta puede contener sustancias indeseables en disolución, las cuáles, ya sea debido a procesos naturales o antropogénicos, presentan valores superiores a los que se puedan encontrar en el cuerpo receptor del agua y se perciben como contaminantes ya que alteran la composición del medio natural receptor. Para minimizar el impacto ambiental generado por la reposición del efluente al medio ambiente se han desarrollado y aplicado diferentes sistemas de tratamiento del agua residual atendiendo a las características físico-químicas de ésta. Siendo de gran importancia en este ámbito las estaciones depuradoras de aguas residuales, o EDARs, aplicadas a las aguas residuales urbanas. La composición físico-química del agua residual urbana varía con la localización dependiendo de si, por ejemplo, hay separación de las aguas pluviales, existen vertidos industriales no controlados o del terreno por donde discurren los cauces del agua potable. De manera natural el agua se presenta como el medio indispensable en donde puede desarrollar sus actividades biológicas todo ser vivo en la Tierra. Los seres vivos han sido capaces de desarrollarse en diversos ecosistemas gracias a su capacidad de adaptación evolutiva. Esta capacidad de supervivencia mediante la adaptación ha permitido la colonización de ecosistemas a priori muy desfavorables para la vida donde las condiciones ambientales ejercen una gran presión de selección natural. En el agua residual urbana pueden crecer y desarrollarse diferentes comunidades microbianas capaces de utilizar tanto sustratos orgánicos como inorgánicos como fuente de energía al ingresar en su metabolismo celular. Estos microorganismos realizan reacciones redox para poder generar en su vía metabólica ATP (adenosin trifosfato) como molécula energética. Para llevar a cabo las reacciones redox se debe empezar con una molécula dadora y otra aceptora de electrones. En medios de reacción tales como un agua residual urbana coexisten ambas moléculas y, dependiendo de las condiciones ambientales presentes, se puede favorecer el crecimiento de unas comunidades frente a otras. Esta competencia entre especies propicia que en determinadas situaciones predominen algunas especies como productos finales del metabolismo que además presenten elevadas presiones de vapor, facilitando su liberación a la atmósfera. Un ejemplo de ello son las bacterias sulfato reductoras, las cuáles oxidan principalmente los ácidos grasos volátiles o el etanol presentes en el medio y reducen el sulfato hasta sulfuro de hidrógeno, una especie química con un tono hedónico muy desagradable y un bajo umbral de detección olfativo. Cuando la relación molar entre el contenido de materia orgánica y el sulfato se sitúa en valores mayores que 1 hay más sustrato orgánico disponible para otros microorganismos, que pueden limitar el crecimiento de las bacterias sulfato reductoras, disminuyendo por tanto la formación de sulfuro de hidrógeno. En condiciones anóxicas o anaerobias el potencial redox del medio presenta valores negativos, mostrando la ausencia de agentes oxidantes fuertes. Bajo estas condiciones de bajo potencial redox, las reacciones de transformación que tienen lugar llevan a la formación de moléculas en las que los átomos que definen sus grupos funcionales están en bajos estados de oxidación. En general, estos compuestos en bajo estado de oxidación si son olorosos presentan un tono hedónico o sensación desagradable. Sirvan como ejemplos la trimetilamina, cuyo olor característico se corresponde al pescado; el amoniaco con un olor no solo desagradable sino agresivo; los mercaptanos, con su olor característico a vegetales en descomposición; o el sulfuro de hidrógeno, con su característico olor a un huevo en descomposición. Como consecuencia de los diversos procesos señalados, durante el proceso de depuración del agua residual urbana se produce la liberación de compuestos gaseosos (algunos olorosos) provocando diferentes tipos emisiones gaseosas a la atmósfera. El origen de los compuestos gaseosos emitidos puede deberse tanto a la desorción de sustancias contenidas en el seno del agua residual resultante de los efluentes de las actividades que la desechan, como a la generación de nuevas sustancias durante el proceso de depuración. En este trabajo se ha desarrollado un modelo matemático para la estimación de dichas emisiones. Por lo tanto, como tarea previa al desarrollo de un modelo de estimación de las emisiones, hay que determinar cuáles son los focos principales de emisión en las EDARs, su caracterización, los métodos actuales de medición y estimación de las emisiones olorosas, así como los modelos aplicables para su gestión. Este estudio da lugar al primer artículo publicado bajo el título: Modeling the odor generation in WWTP: an integrated approach review, que forma parte de este trabajo de investigación. De acuerdo con las conclusiones de este trabajo, las principales fuentes de emisión atmosférica de compuestos olorosos en EDARs se corresponden con los procesos de espesamiento y centrifugación en la línea de tratamiento de lodos. La naturaleza principalmente azufrada, nitrogenada y reducida que conforman sus emisiones atmosféricas sugieren que la acción microbiológica anaerobia debe ser la responsable de su formación. Actualmente, los métodos de gestión on-line de estas emisiones olorosas se basan en la medición con narices electrónicas, cuyas lecturas sufren grandes variaciones debido al cambio de las condiciones ambientales y a sus actuales limitaciones tecnológicas; otras alternativas off-line son la estimación mediante el uso de factores de emisión (que solo atiende a condiciones estacionarias) o la medición directa off-line por el método de la olfatometría dinámica, cuyo tiempo de respuesta es excesivamente alto. Así, la limitación al enfoque actual se manifiesta cuando se quieren establecer acciones correctoras o de control sobre el proceso que genera las emisiones, proceso en el que se constata la falta de información que establezca la relaciones entre las variables de proceso susceptibles de ser manipuladas y la liberación de los compuestos odorantes a la atmósfera. El control operacional de procesos suele aplicarse con estrategias clásicas, como los lazos de control por retroalimentación o feedback donde a partir de la medida de la variable de control y fijado un valor de referencia se manipula una o varias variables de entrada, con el objetivo de minimizar la desviación de la variable de control sobre su valor de consigna. Este enfoque parte de la premisa de que la relación entre las variables manipulada y controlada es lineal, de manera que cualquier variable que induzca un comportamiento no lineal en la relación se ve traducido en una desviación entre lo calculado por el algoritmo de control feedback y lo finalmente medido. Aunque esta limitación puede solventarse con estrategias de control adaptativo, sigue sin obtenerse información sobre la interrelación entre variables y los efectos de éstas sobre la composición y tasa de emisión generada. Así mismo, la acción de control mediante retroalimetación o feedback tiene lugar una vez que la perturbación desvía la variable de control de su valor de consigna, careciendo de anticipación frente a perturbaciones de mayor magnitud. Una mejor respuesta se puede obtener integrando en el lazo de control una estrategia anticipativa, la cuál se basa en un modelo dinámico del proceso que permita anticiparse a la respuesta que producirán en el proceso las variables de entradas del modelo. En este trabajo de investigación se ha desarrollado un modelo dinámico mecanístico que describe el efecto de la microbiología en la generación y transferencia líquido-gas de metano y de sulfuro de hidrógeno en EDARs, éste último como principal sustancia odorante bajo condiciones de operación anaerobias. Dicho modelo se describe en el segundo artículo publicado bajo el título: Development, identification and validation of a mathematical model of anaerobic digestion of sewage sludge focusing on H2S formation and transfer. El modelo reproduce en el proceso de digestión anaerobia la competencia entre las archaeas metanogénicas y las bacterias sulfato reductoras por la fuente de carbono orgánico, reflejándose en el contenido de sulfuro de hidrógeno en el biogás producido. La cantidad de sulfuro de hidrógeno transferida a la fase gaseosa está muy condicionada por el pH del medio, favoreciendo su disociación hacia la forma iónica del anión hidrogenosulfuro a medida que el pH se aleja de la neutralidad. Habitualmente, después de la etapa de digestión anaerobia por vía húmeda de lodo alimentado al reactor continúa una etapa de concentración o espesamiento del lodo por gravedad, para alcanzar concentraciones alrededor del 4% de contenido en sólidos. El lodo todavía puede presentar actividad biológica y, por tanto, ser susceptible de continuar generando sulfuro de hidrógeno, más aún cuando los espesadores se utilizan como tanques pulmón de almacenamiento frente a fallos puntuales de operación, como la falta de capacidad de centrifugación posterior. En el tercer artículo publicado bajo el título: Air emissions from a sludge thickener: dynamic data for air quality models se presenta la integración de la dinámica microbiológica durante el proceso de espesamiento por gravedad del lodo y sus emisiones asociadas. Conforme a los resultados de este trabajo, al realizar una comparación en EDAR entre las estimaciones obtenidas mediante el uso de factores de emisión y el modelo mecanístico desarrollado se observa que ambos enfoques reflejan una dinámica sinusoidal en el flujo volumétrico de emisión para el biogás generado, fruto del efecto provocado por la oscilación diaria de la temperatura ambiente sobre el proceso. La diferencia entre la tasa de emisión estimada por ambos métodos subyace en la magnitud de la amplitud del patrón de oscilación diario, reflejando el modelo una mayor influencia de la cinética microbiológica que la observada en los valores proporcionados mediante el uso de factores de emisión. Finalmente, es importante señalar que el planteamiento y la construcción de cualquier modelo matemático debe centrarse en el objetivo para el cuál se desarrolla de acuerdo con el conocimiento experimental existente, descrito por los parámetros medibles disponibles. No obstante, los modelos matemáticos mecanísticos pretenden describir con el mayor detalle posible los fenómenos involucrados en el sistema, lo que puede llevar a la definición de modelos sobreparametrizados, lo que dificulta en ocasiones la identificación de sus parámetros en función de la calidad del conjunto de datos experimentales disponibles; imposibilitando, en la práctica, la aplicación del modelo. Por ello, en el trabajo titulado Development, identification and validation of a mathematical model of anaerobic digestion of sewage sludge focusing on H2S formation and transfer se ha desarrollado una metodología sistemática para guiar en el desarrollo de modelos matemáticos cuyos parámetros a identificar presenten baja incertidumbre, en función del conjunto de datos experimentales disponibles para la optimización del modelo. Esta metodología se ha aplicado y verificado sobre el modelo dinámico de procesos desarrollado, a fin de verificar su capacidad de aplicación operacional sobre una EDAR real.