Modelado y Simulación Dinámica de Reactores Anaerobios de Biofilm de Lecho Fluidizado. Aplicación al Tratamiento de Efluentes Complejos

FUENTES MORA, MAUREN

Autor

Lugar: Santa Fe, Argentina; Año: 2006 p. 426

987-05-0709-3

Esta tesis trata sobre el modelado de reactores biológicos anaerobios de lecho fluidizado y su aplicación a sistemas de tratamiento de efluentes en cuya composición están presentes sustratos complejos (carbohidratos, proteínas y lípidos). La motivación del trabajo se origina en la necesidad de disponer de un simulador dinámico de este tipo de reactores para su aplicación al diseño, optimización, control y diagnosis de fallas de sistemas de tratamiento anaerobio de aguas residuales industriales y municipales. En el Capítulo 1 se realiza una breve introducción a la tecnología anaerobia para el tratamiento de residuos líquidos, su evolución y aspectos tecnológicos y microbiológicos que favorecieron su aplicación; hasta llegar a los procesos modernos denominados de alta velocidad, entre ellos, el reactor de lecho fluidizado. Se presenta la estructura general del modelo a desarrollar, dejando establecidos los objetivos y la organización de la tesis. En el Capítulo 2 se describe el proceso de digestión anaerobia de sustratos complejos teniendo en cuenta las principales reacciones bioquímicas y físico-químicas que se producen y las características de los microorganismos que conforman el consorcio anaerobio. Se discute la cinética y la estequiometría de dos esquemas de degradación que serán usados para modelar el proceso de digestión anaerobia aplicado a un sistema de biofilm. En el modelado de la dinámica de los procesos del biofilm se propone una expresión de velocidad de despegue que tiene en cuenta los efectos hidrodinámicos. En el Capítulo 3 se revisan las diversas hipótesis fenomenológicas, teorías y correlaciones empíricas que han sido usadas para describir la fluidodinámica de reactores de lecho fluidizado y las aplicaciones a lechos biológicos; y se definen las variantes que serán usadas en el modelo del biorreactor. En el Capítulo 4 se acopla la información de los subsistemas: (a) digestión anaerobia, (b) biofilm, (c) biopartícula, (d) hidrodinámica, previamente descritos en los Capítulos 2 y 3; y se presentan las ecuaciones del balance de masa de las fases (y sus componentes) y del balance de cantidad de movimiento en el sistema trifásico (gas-sólido-líquido). En principio, se propone un modelo dinámico unidimensional que considera la variación convectiva y dispersiva de las propiedades en la dirección axial del lecho. Se muestran soluciones de transientes hidrodinámicos y biológicos. Se realiza un análisis de sensitividad de los resultados del modelo con relación a los parámetros de mayor incertidumbre. Se verifican hipótesis relacionadas con la transferencia de masa y con el volumen de control asumido para dar solución a las ecuaciones diferenciales. Se presentan los resultados para versiones simplificadas del modelo, relacionadas con la influencia de la fase gas en la hidrodinámica y con el mezclado de las fases en el reactor. Se presenta una comparación de los resultados simulados usando los dos modelos de digestión anaerobia definidos en el Capítulo 2. En el Capítulo 5 se realiza la validación experimental del modelo a partir de datos experimentales (dinámicos) de la puesta en marcha de dos reactores de lecho fluidizado a escala de laboratorio. Se describe el protocolo experimental y la metodología para la estimación de la velocidad específica de despegue del biofilm, identificado como el parámetro de mayor incertidumbre. El orden de magnitud del parámetro resultó ser , éste fue determinado usando los resultados de una primera etapa experimental basada en la alimentación de sustratos solubles (glucosa y ácido acético) a los reactores. La simulación de la segunda etapa experimental, donde se incorporan sacarosa y proteínas (gelatina y albúmina) a la alimentación de los reactores, dio a luz la necesidad de independizar la cinética de hidrólisis del material particulado (biomasa no activa) y del sustrato complejo alimentado; y de diseñar experimentos que permitan evaluar y modelar otros sucesos como el ?lavado? de enzimas hidrolíticas por cambio en el tiempo de residencia de los reactores, efectos de sobrecarga e inhibición por . Finalmente, en el Capítulo 6, se realiza un resumen de los aspectos más relevantes y novedosos de la tesis y aquellos que pueden resultar de interés para continuar trabajando; entre ellos: la simulación y estudio de fallas del sistema de tratamiento de efluentes; el estudio de la performance del reactor bajo condiciones de flujo cíclico ?real? de alimentación; la optimización de la política de carga del reactor considerando una función objetivo adecuada; la posible extensión del modelo a otro dominio y la vinculación con otros sistemas de reacción.