Ozonation for sludge reduction in wastewater treatment plantsprocess optimisation and mathematical modelling

Resumo

Esta tesis presenta el estudio de optimización del proceso de ozonización de fangos para la reducción de fangos de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) y un modelo matemático del proceso de ozonización. Uno de los mayores inconvenientes para la viabilidad del proceso de ozonización de fangos con el fin de minimizar su producción en EDARs es el coste económico asociado a la producción de ozono. Consecuentemente, la optimización del proceso cobra especial relevancia de cara a asegurar la futura competitividad económica del sistema. Acorde con ello, se llevó a cabo un amplio trabajo experimental para estudiar el funcionamiento del proceso de ozonización de fangos. Se realizaron cuatro campañas experimentales basadas en ensayos discontinuos y semicontinuos para evaluar el efecto de los principales parámetros operacionales sobre la solubilización y mineralización de compuestos orgánicos y nitrogenados. Para ello, se emplearon dos tipos de fangos activos: fango de la EDAR de la industria heladera Nestlé y de la EDAR urbana de Gaikao. El trabajo experimental permitió identificar los parámetros clave del proceso y los principales mecanismos de actuación del ozono, así como averiguar las ventajas y desventajas del sistema de ozonización operado de forma continua. Además, dos campañas experimentales adicionales reprodujeron un sistema biológico que incluía un proceso paralelo de ozonización operado de forma continua. El primer sistema reprodujo el sistema de aeración extendida para la eliminación biológica de materia orgánica de la EDAR (Nestlé), mientras que el segundo era una réplica en miniatura del sistema de desnitrificación/nitrificación de la EDAR urbana (Gaikao). Ambas experimentaciones confirmaron que el sistema continuo de ozonización puede lograr una sustancial minimización de fangos sin que ello reporte un empeoramiento del funcionamiento global del sistema. El proceso de ozonización de fangos es una de las tecnologías de desintegración energéticamente más eficientes actualmente existentes.Sin embargo, su viabilidad no debe basarse únicamente en aspectos económicos sino que también debe evaluarse el efecto de su aplicación en el funcionamiento global del sistema. El nitrógeno y el fósforo particulado presentes en los fangos activos resultan solubilizados durante el proceso de desintegración de fangos, pudiendo afectar el sistema biológico posterior, especialmente cuando éste es un sistema de eliminación de nutrientes. Con objeto de estudiar las posibles diferencias respecto a la solubilización de compuestos nitrogenados y de fósforo entre la ozonización y otras tecnologías de desintegración se realizó una evaluación comparativa basada en experimentos discontinuos. Los resultados conseguidos fueron muy similares, ratificando la viabilidad de los sistemas de ozonización como método eficiente de minimización de fangos de EDAR. Finalmente, se desarrolló el modelo de ozonización de fangos (SOM) que reproduce las principales reacciones bioquímicas y físico-químicas del proceso de ozonización de fangos para la minimización de fangos.La construcción del modelo SOM se basa en la metodología Plant-Wide Modelling (PWM). El extenso trabajo experimental realizado permitió una precisa descripción matemática del sistema combinado de ozonización/tratamiento biológico. La calibración de los principales parámetros del modelo se hizo a través de los datos experimentales procedentes de los ensayos discontinuos realizados con el fango de la EDAR de Nestlé. El problema de calibración se resolvió con el empleo de la metodología Integrated Monte Carlo Methodology (IMCM) puesto que los estimadores de parámetros tradicionales no eran adecuados. Por otra parte, el modelo calibrado fue validado sobre un nuevo conjunto de datos experimentales, correspondientes a la experimentación en continuo del caso Nestlé.La simulación describe satisfactoriamente varios parámetros de calidad de agua así como la variabilidad de los datos recogidos.