RESUMEN

Los problemas derivados de la acumulación de nitrógeno y fósforo procedentes, en gran medida, de los vertidos de aguas residuales a mares, ríos y lagos ha llevado al creciente estudio de nuevas tecnologías y métodos de tratamiento de estas aguas residuales, basadas principalmente en procesos biológicos de depuración. Los procesos biológicos que tienen lugar en una EDAR consisten en transformaciones bioquímicas que realizan los microorganismos durante su crecimiento.

La modelación matemática de los procesos de crecimiento de las bacterias responsables de la depuración de las aguas residuales es fundamental para el diseño, simulación y control óptimo de una EDAR. Tradicionalmente, el proceso de nitrificación, llevado a cabo por dos grupos de bacterias, era modelado como una única etapa en la que el amonio era oxidado a nitrato. Sin embargo, con el desarrollo de nuevas tecnologías y la aparición de problemas de acumulación de nitrito en algunas EDARs ha surgido la necesidad de considerar el nitrito como un nuevo componente en la modelación de los procesos biológicos. Esto ha llevado a la aparición de varios modelos en los que se divide el proceso de nitrificación en dos etapas: primero el amonio es oxidado a nitrito y, posteriormente, éste es oxidado a nitrato. La modelación del proceso de nitrificación teniendo en cuenta el nitrito como componente intermedio conlleva también la modificación de otros procesos como el crecimiento de bacterias heterótrofas empleando nitrito en lugar de nitrato como aceptor de electrones. 

Aunque son varios los modelos propuestos considerando la nitrificación en dos etapas, aun no hay un modelo con inclusión del nitrito, ampliamente aceptado por la comunidad científica, apropiado para tratar las cuestiones mencionadas y proporcionar un rango de valores de parámetros fiable para reproducir adecuadamente las transformaciones del nitrito en los sistemas de fangos activos. Además, tampoco se ha definido una metodología de calibración para estos modelos que facilite la determinación de los valores de los parámetros incluidos en estos. Por ello, los objetivos generales de esta tesis son el desarrollo de un modelo general del proceso de nitrificación vía nitrito que considere tanto la oxidación de amonio a nitrito como del nitrito a nitrato y la metodología de calibración para los parámetros de las bacterias implicadas. Como se pretende validar el modelo en dos sistemas de operación con características completamente diferentes, un reactor SHARON a escala de laboratorio y una planta piloto de fangos activados, ha sido necesario el desarrollo de una metodología de calibración adaptada a cada uno de los sistemas. La metodología de calibración del proceso en el reactor SHARON incluye únicamente la determinación de los valores de los parámetros correspondientes a las bacterias amonioxidantes, ya que son las únicas presentes en este sistema. En cambio, en la planta piloto se desarrollan tanto bacterias nitritoxidantes como amonioxidantes, con lo que la calibración exige ensayos enfocados a la determinación de los parámetros de cada grupo de bacterias por separado. Las metodologías de calibración están basadas fundamentalmente en técnicas respirométricas y en el estudio individualizado de los diferentes procesos involucrados mediante experimentos en discontinuo realizados en laboratorio. Estas metodologías se han desarrollado con un especial énfasis en la simplicidad y facilidad para poder reproducirlas con la frecuencia necesaria y sin la necesidad de un equipo específico ni técnicas de laboratorio especialmente complejas.

Las metodologías de calibración desarrolladas han sido aplicadas en cada uno de los sistemas mencionados. Mediante la aplicación de estas metodologías y el seguimiento de las poblaciones bacterianas presentes en cada uno de los sistemas se ha podido comprobar, en el caso de las bacterias amonioxidantes, que las bacterias características del reactor SHARON son diferentes a las de la planta piloto, lo que conlleva valores de los parámetros del modelo totalmente diferentes. La calibración del modelo en la planta piloto ha permitido observar también las diferencias entre las bacterias amonioxidantes y las bacterias nitritoxidantes en cuanto afinidad por el oxígeno, efecto del pH, velocidad máxima de crecimiento,… Además, la planta piloto fue operada en una primera etapa con la inclusión de un reactor BABE en el esquema de operación que posteriormente fue eliminado, lo que ha permitido observar el efecto que tiene la presencia de este reactor sobre las bacterias calibradas.

Finalmente, el modelo desarrollado ha sido validado en el reactor SHARON mediante el ajuste del modelo a los resultados experimentales obtenidos a partir del seguimiento analítico de estos reactores. Las simulaciones realizadas utilizando el modelo matemático con el conjunto de parámetros obtenidos, implementado en el software DESASS, reproducen con precisión los resultados experimentales de los reactores.