Tratamiento conjunto del agua residual urbana y la fracción orgánica de los resíduos sólidos urbanos: Optimización por simulación de la tecnología de membranas anaerobias

Abstract

[EN] The wastewater treatments used to be activities with an overhead energetic consumption, and nowadays the current trend is to optimise the energetic resources, so it is interesting to study more efficient alternatives for the treatment of these wastewater. This study aims to find out, by means of simulation, the feasibility of a pilot plant using the technology of membranes to make possible the treatment of a mixture of Urban Wastewaters (UW) with Organic Fraction of Urban Solid Waste crushed (OFUSW), by anaerobic digestion (SAnMBR), , and optimise its operation. The anaerobic digestion has several advantages on the aerobic processes. The most important is that it does not need of ventilation. Previous studies indicate that roughly 60% of the energetic consumption of a plant using aerobic processes for the treatment of urban wastewater, comes from the necessary ventilation to carry out the process. But in addition to the saving that supposes to delete the ventilation, the process of anaerobic digestion allow to take advantage of part of the potential energy that contains the organic matter of mixture of UW and OFUSW, using the biogas that produces . The main inconvenient of this type of processes is that they require a very high cell retention time, so the volume necessary to treat urban wastewater was unfeasible, which restricted the use of this technology to treatment of muds with a greater organic load, but by means of the membrane technology , now we can work with high enough CRT in reactors with a reasonable volume. Moreover, add to the UW some percentage of OFUSW, increases the saving for two different reasons. In the first place, the addition of the crushed OFUSW would carry out by means of crushers installed in the kitchens of the subscribers to the network of sewerage, and it will be transported by the same network, so the separation and the transport of OFUSW would be cheaper. It’s important to note that this type of wastes are not apt for his disposal in uncontrolled dumps or public soils since his biodegradation can produce gases, bad smells and pollutant lixiviates. And in the second place, add OFUSW to the UW would increase the organic load of the mixture, and therefore, the production of biogas. The experimental pilot plant uses SAnMBR technology with hollow fibre membranes, and is fed with the effluent of the pretreatment (bars, desander-degreaser) of the EDAR of the *Carraixet (Valencia, España) and OFUSW from the UPV (Universidad Politécnica de Valencia) restaurants. The plant counts with a 1'3 m3 anaerobic reactor, connected to two membrane tanks, each one with a volume of 0'8 m3, and a hollow fibre, ultrafiltration system with 30 m2 of total filter surface. The plant operates with a 70 days CRT without increasing the influent temperature. For the experimental data employed as a base in this study, the plant works with 28 ºC of temperature and a treatment flow of 2'34 m3/l of mixture. To study the feasibility and optimise the operation of the pilot plant with the mixture of UW and OFUSW, will realise two series of simulations using the computer program DESASS (DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems), that has implemented an mathematical modelling algorithm that represents an extension of the model of biological nutrient removal model nº2 (Biological Nutrient Removal Model, No.2, BNRM2, Barat et al., 2013). In the first series of simulations, the temperature (Tº),Cell Retention Time (CRT) and the crushed waste technology penetration factor between the subscribers of the sewerage network (PF) are varied, to study the variation in performance of the plant regarding the elimination of organic matter and biogas production. The rank of temperatures chosen for this first series of simulations will be the included between 20 and 36 ºC, since the experimental data employees to calibrate the computer model, were obtained with a temperature of 28 ºC, and therefore in the rank known as mesophilic, the most employed in the treatment of wastewater. In this rank acts in a certain group of bacteria, different to which would act out of it. With the aim to observe a trend and check the feasibility of this type of treatment for this mixture simulations were performed each 4 ºC of difference splitting of the 28 ºC. For the variation of the CRT opts for a rank that varies since the 70 days of the experimental data until the 40 days, with an interval of 2'5 days. It should be noted that previous experimental studies (Moñinos, 2014) indicate that the biodegradability of the mixture will diminish at the same time that the CRT do it, and in the present study took the hypothesis that this variation is linear. Finally, in regarding the Factor of Penetration, opts for a rank between a 40 and a 80% of the subscribers to the sewerage network, simulating each ten percentage points, attending to the criteria of an enough high minimum to guarantee that the impact of the quantity of OFUSW added was considerable, and a realistic maximum considering that the waste crushing technology will not be applicable in all the cases.

For the second series of simulations only the Temperature (Tº) and the Hydraulic retention Time (HRT) are varied, with the values of CRT and PF of the experimental data, 70 days and 40% respectively. The aim of these simulations is to find an operation optimum regarding the production of biogas. The temperature rank chosen will still being in the mesophilic rank, and will be between 16 and 36 ºC simulating each 4 ºC. And regarding the HRT, it is the time the water spends in the reactor, and to vary it with a constant volume, increase the treatment flow. The HRT rank will vary from 1'23 to 0'34 days, that are the HRTs to which the reactor achieves a concentration of suspended solids of roughly 10000 and 40000 mg/l respectively. Being the initial HRT of 0'86 days took points each variation of 10% of the initial treatment flow until achieving the extremes. Once realised the simulations and extracted the data, to find the operation optimum regarding the biogas production will employ the Response Surface methodology (RSM), which consists in a group of statistical and mathematical techniques employed to model problems in which a variable is influences by others and has his origin in the work of Box and Wilson (1951). In this case of data obtained by means of simulation, this will be a virtual response surface. the application of this technique will be realized with the computer program MINITAB, and will employ a compound central design with two factors, and to consider the biogas production and the methane percentage, in the first place will realise two independent response surfaces, and then will superimpose the two of them, finding an optimum regarding production and percentage of methane. Finally, it will calculate the energetic consumption of the plant for the cases simulated in the second series, with the aim to observe the energetic saving that supposes the use of the obtained biogas, and if the increasing amount of biogas produced at higher temperatures, compensates the energetic cost of the temperature increase. In addition to finding the mechanical limit of the plant since the computer program DESASS only simulates the biological process. For this will adapt the method posed in previous articles (Pretel et al. 2014), and they will suppose the following hypotheses regarding the energetic consumption: - Only will take into account the consumption in operation phase. - The pilot plant SAnMBR supposes a constant reactor and in stationary state. - The processes of pretreatment do not take into account in the calculations. - The transport of the resultant mud is not contemplated in the calculations. Finally, to find the optimum regarding energetic consumption, apply the previously reviewed Response Surface Methodology, employing the computer program MINITAB, to the final data of energetic consumption and obtain with what temperature and flow, the pilot plant would be more economically efficient.

[ES] Los tratamientos de aguas residuales suelen ser actividades con un elevado consumo energético, y en una época en la que se tiende a optimizar los recursos energéticos, una línea interesante a seguir es la de estudiar posibles alternativas más eficientes para el tratamiento de dichas aguas residuales. En este trabajo se pretende estudiar la viabilidad y optimizar, mediante simulación, la operación de una planta piloto que se vale de la tecnología de membranas para hacer posible el tratamiento de una mezcla de Agua Residual Urbana (ARU) con Fracción Orgánica de Residuo Sólido Urbano triturado (FORSU), mediante un proceso de digestión anaerobia (SAnMBR). El proceso de digestión anaerobia tiene varias ventajas sobre los procesos aerobios. La más importante es que no necesita de aireación. Según estudios anteriores, aproximadamente el 60% del consumo energético de una planta de tratamiento de aguas residuales convencional, es decir, con un reactor aerobio, proviene de la aireación necesaria para llevar a cabo el proceso. Pero además del ahorro que supone eliminar la aireación, el proceso de digestión anaerobia permite aprovechar parte de la energía potencial que contiene la materia orgánica de mezcla de ARU y FORSU, reutilizando el biogás que se produce. El principal inconveniente de este tipo de procesos es que requieren de un Tiempo de Retención Celular muy alto, ya que al tratarse de procesos anaerobios, la velocidad a la que estos se producen es muy baja. Esto hacía que los volúmenes de reactor necesarios para tratar ARU mediante este método fueran inviables, y lo restringía a tratamiento de fangos, con una carga orgánica mucho mayor, pero mediante la tecnología de membranas se puede trabajas con TRC mucho más elevados en reactores con un volumen más contenido, haciendo viable el aprovechamiento de las ventajas en cuanto a ahorro energético que los procesos anaerobios suponen. Además el hecho de añadir al ARU cierto porcentaje de FORSU, incrementa el ahorro por dos razones diferentes. En primer lugar, la adición de la FORSU triturada se llevaría a cabo mediante trituradores instalados en los fregaderos de los abonados a la red de saneamiento, lo cual supone un ahorro de entrada ya que su separación se realizaría en el mismo domicilio y se transportaría mediante la propia red de saneamiento. Cabe destacar que este tipo de residuos no son aptos para su disposición en vertederos incontrolados o suelos públicos ya que su biodegradación puede producir gases, malos olores y lixiviados contaminantes. Y en segundo lugar, añadir esa fracción de FORSU al ARU aumentaría la carga orgánica de la mezcla, y por tanto, la producción de biogás que luego se podría reutilizar. La planta piloto de la que se extraen los datos experimentales de los que partirá el estudio cuenta con una tecnología SAnMBR con membranas de fibra hueca, y es alimentada con el efluente del pretratamiento (rejas, desarenador-desengrasador) de la EDAR de El Carraixet (Valencia, España) y FORSU procedente de las cafeterías de la UPV (Universidad Politecnica de Valencia), triturado. La planta cuenta con un reactor anaerobio de 1’3 m3, conectado a dos tanques de membranas, cada uno con un volumen de 0’8 m3, y un sistema de ultrafiltración de fibra hueca con 30 m2 de superficie

total de filtrado. La planta se opera con un TRC de 70 días sin aumentar la temperatura del influente. Para los datos experimentales empleados como base en este estudio, la temperatura de este es de 28 ºC y el caudal de tratamiento de 2’34 m3/l de mezcla. Para conseguir estudiar la viabilidad y optimizar la operación de la planta piloto con la mezcla de ARU y FORSU, se realizarán dos series de simulaciones mediante el programa informático DESASS (DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems), que tiene implementado un algoritmo de modelación matemática que representa una ampliación del modelo de eliminación biológica de nutrientes nº2 (Biological Nutrient Removal Model, No.2, BNRM2, Barat et al., 2013). En la primera serie de simulaciones se variaran la temperatura (Tº), el Tiempo de Retención Celular (TRC) y el factor de penetración de la tecnología de triturado de residuos entre los abonados de la red de saneamiento (FP), para estudiar la variación del rendimiento de la planta en cuanto a la eliminación de materia orgánica y producción de biogás. El rango de temperaturas elegido para esta primera serie de simulaciones será el comprendido entre los 20 y los 36 ºC, ya que los datos experimentales empleados para calibrar el modelo informático fueron obtenidos con una temperatura de 28 ºC, y por tanto dentro del conocido como rango mesofílico, el más empleado en el tratamiento de aguas residuales y en el que actúan un determinado grupo de bacterias, diferentes a las que actuarían fuera de dicho rango. Con el objetivo de observar una tendencia y comprobar la viabilidad de este tipo de tratamiento para esta mezcla se realizaran simulaciones cada 4 ºC de diferencia partiendo de los 28 ºC. Para la variación del TRC se opta por un rango que varía desde los 70 días de los datos experimentales hasta los 40 días, con un intervalo de 2’5 dias. Cabe destacar que según estudios experimentales anteriores (Moñinos, 2014) la biodegradabilidad de la mezcla disminuirá a la vez que lo haga el TRC, y en el presente estudio se tomara la hipótesis de que dicha variación es lineal. Por ultimo en cuanto al Factor de Penetración se opta por un rango comprendido entre un 40 y un 80% de los abonados a la red de saneamiento, simulando cada diez puntos porcentuales, y atendiendo a los criterios de un mínimo lo suficientemente alto como para que el impacto de la cantidad de FORSU añadido sea considerable, y un máximo realista teniendo en cuenta que la tecnología de triturado no será aplicable en todos los casos. Para la segunda serie de simulaciones solo se variaran la Temperatura (Tº) y el Tiempo de Retención Hidráulico (TRH), para los valores de TRC y FP con los que se han extraído los datos experimentales, 70 días y 40% respectivamente. El objetivo de estas simulaciones será hallar un óptimo de operación en cuanto a la producción de biogás. El rango elegido de temperatura seguirá estando comprendido dentro del rango mesofílico, y en este caso estará entre 16 y 36 ºC simulando cada 4 ºC. Y en cuanto al TRH, se trata del tiempo que pasara el agua dentro del reactor. Para variarlo, al ser fijo el volumen, se aumentara el caudal, y el rango de TRH a simular variará desde los 1’23 a los 0’34 días, que son los TRH a los que se alcanza una concentración de sólidos suspendidos en el reactor de aproximadamente 10000 y 40000 mg/l respectivamente. Siendo el TRH inicial de 0’86 días se tomaran puntos cada variación del 10% del caudal inicial hasta alcanzar los extremos. Una vez realizadas las simulaciones y extraídos los datos, para hallar el óptimo de operación en cuanto a la producción de biogás se empleará la metodología estadística de la Superficie de Respuesta (en inglés, Response Surface Methodology o RSM), la cual consiste en un conjunto de técnicas estadísticas y matemáticas empleadas con el fin de modelar problemas en los que una variable es influenciada por otras y tiene su origen en el trabajo de Box y Wilson (1951). Al tratarse en este caso de datos obtenidos mediante simulación y no de manera experimental, se tratara de una superficie de respuesta virtual. Al realizar el modelo de la superficie de respuesta mediante el programa informático MINITAB, se empleará un diseño central compuesto con dos factores, y para tener en cuenta tanto el caudal de biogás obtenido como el porcentaje de metano que este contiene, en primer lugar se realizarán dos superficies de respuesta y seguidamente se superpondrán las dos graficas independientes, hallando así un óptimo en cuanto a producción y porcentaje de metano. Por último, se calculará el consumo energético de la planta para los casos simulados en la segunda serie, con el objetivo de observar el ahorro energético que supone la reutilización del biogás obtenido, y si el aumento de la cantidad producida a medida que se aumenta la temperatura del tratamiento, compensa el coste energético de dicho aumento. Además de encontrar el limite mecánico de la planta ya que el programa informático DESASS solo simula el funcionamiento del proceso biológico. Para dicho cálculo se adaptará el método planteado en artículos anteriores (Pretel et al. 2014), y se supondrán las siguientes hipótesis en cuanto al consumo energético: - Solo se tendrá en cuenta el consumo en fase de operación. - La planta piloto SAnMBR se supone un reactor constante y en estado estacionario. - Los procesos de pretratamiento no se tienen en cuenta en el cálculo. - El transporte del fango resultante no está contemplado en los cálculos.

Finalmente, para hallar el óptimo en cuanto a consumo energético, aplicamos la metodología anteriormente reseñada de la Superficie de Respuesta, empleando el programa informático MINITAB, al dato final de consumo energético y obtenemos con que temperatura y caudal sería más eficiente económicamente la planta piloto.

[CA] Els tractaments d'aigües residuals solen ser activitats amb un elevat consum energètic, i en una època en la qual es tendeix a optimitzar els recursos energètics, una línia interessant a seguir és la d'estudiar possibles alternatives més eficients per al tractament d'aquestes aigües residuals. En aquest treball es pretén estudiar la viabilitat i optimitzar, mitjançant simulació, l'operació d'una planta pilot que es val de la tecnologia de membranes per a fer possible el tractament d'una mescla d'Aigua Residual Urbana (ARU) amb Fracció Orgànica de Residu Sòlid Urbà triturada (FORSU), mitjançant un procés de digestió anaeròbia (SAnMBR). El procés de digestió anaeròbia té diversos avantatges sobre els processos aerobis. La més important és que no necessita de ventilació. Segons estudis anteriors, aproximadament el 60% del consum energètic d'una planta de tractament d'aigües residuals convencional, és a dir, amb un reactor aerobi, prové de la ventilació necessària per a dur a terme el procés. Però a més de l'estalvi que suposa eliminar la ventilació, el procés de digestió anaeròbia permet aprofitar part de l'energia potencial que conté la matèria orgànica de mescla de ARU i FORSU, reutilitzant el biogàs que es produeix. El principal inconvenient d'aquest tipus de processos és que requereixen d'un Temps de Retenció Cel•lular molt alt, ja que en tractar‐se de processos anaerobis, la velocitat a la qual aquests es produeixen és molt baixa. Açò feia que els volums de reactor necessaris per a tractar ARU mitjançant aquest mètode foren inviables, i ho restringia a tractament de fangs, amb una càrrega orgànica molt major, però mitjançant la tecnologia de membranes es pot treballes amb TRC molt més elevats en reactors amb un volum més contingut, fent viable l'aprofitament dels avantatges quant a estalvi energètic que els processos anaerobis suposen. A més el fet d'afegir al ARU cert percentatge de FORSU, incrementa l'estalvi per dues raons diferents. En primer lloc, l'addició de la FORSU triturada es duria a terme mitjançant trituradores instal•lats en les aigüeres dels abonats a la xarxa de sanejament, la qual cosa suposa un estalvi d'entrada ja que la seua separació es realitzaria en el mateix domicili i es transportaria mitjançant la pròpia xarxa de sanejament. Cal destacar que aquest tipus de residus no són aptes per a la seua disposició en abocadors incontrolats o sòls públics ja que la seua biodegradació pot produir gasos, males olors i lixiviats contaminants.

I en segon lloc, afegir aqueixa fracció de FORSU al ARU augmentaria la càrrega orgànica de la mescla, i per tant, la producció de biogàs que després es podria reutilitzar. La planta pilot de la qual s'extrauen les dades experimentals dels quals partirà l'estudi compta amb una tecnologia SAnMBR amb membranes de fibra buida, i és alimentada amb l'efluent del pretractament (reixes, desarenador‐desengrassador) de la EDAR del Carraixet (València, España) i FORSU procedent de les cafeteries de la UPV (Universitat Politècnica de València), triturada. La planta compta amb un reactor anaerobi de 1’3 m3, connectat a dos tancs de membranes, cadascun amb un volum de 0’8 m3, i un sistema de ultrafiltració de fibra buida amb 30 m2 de superfície total de filtrat. La planta s'opera amb un *TRC de 70 dies sense augmentar la temperatura del influent. Per a les dades experimentals emprades com a base en aquest estudi, la temperatura d'est és de 28 ºC i el cabal de tractament de 2’34 m3/l de mescla. Per a aconseguir estudiar la viabilitat i optimitzar l'operació de la planta pilot amb la mescla de ARU i FORSU, es realitzaran dues sèries de simulacions mitjançant el programa informàtic DESASS (DEsign and Simulation of Activated Sludge Systems), que té implementat un algorisme de modelació matemàtica que representa una ampliació del model d’eliminació biològica de nutrients nº2 (Biological Nutrient Removal Model, No.2, BNRM2, Barat et al., 2013). En la primera sèrie de simulacions es variaren la temperatura (Tº), el Temps de Retenció Cel•lular (TRC) i el factor de penetració de la tecnologia de triturat de residus entre els abonats de la xarxa de sanejament (FP), per a estudiar la variació del rendiment de la planta quant a l'eliminació de matèria orgànica i producció de biogàs. El rang de temperatures triat per a aquesta primera sèrie de simulacions serà el comprès entre els 20 i els 36 ºC, ja que les dades experimentals empleats per a calibrar el model informàtic van ser obtinguts amb una temperatura de 28 ºC, i per tant dins del conegut com a rang mesofilic, el més emprat en el tractament d'aigües residuals i en el qual actuen un determinat grup de bacteris, diferents a les quals actuarien fora d'aquest rang. Amb l'objectiu d'observar una tendència i comprovar la viabilitat d'aquest tipus de tractament per a aquesta mescla es realitzaren simulacions cada 4 ºC de diferència partint dels 28 ºC. Per a la variació del TRC s'opta per un rang que varia des dels 70 dies de les dades experimentals fins als 40 dies, amb un interval de 2’5 dies. cal destacar que segons estudis experimentals anteriors (TFM.PATRICIA.2014) la biodegradabilitat de la mescla disminuirà alhora que ho faça el TRC, i en el present estudi es prenguera la hipòtesi que aquesta variació és lineal. Per últim, en quant al Factor de Penetració s'opta per un rang comprès entre un 40 i un 80% dels abonats a la xarxa de sanejament, simulant cada deu punts percentuals, i atenent als criteris d'un mínim prou alt com perquè l'impacte de la quantitat de FORSU afegit siga considerable, i un màxim realista tenint en compte que la tecnologia de triturat no serà aplicable en tots els casos. Per a la segona sèrie de simulacions solament es variaren la Temperatura (Tº) i el Temps de Retenció Hidràulic (TRH), per als valors de TRC i FP amb els quals s'han

extret les dades experimentals, 70 dies i 40% respectivament. L'objectiu d'aquestes simulacions serà trobar un òptim d'operació quant a la producció de biogàs. El rang triat de temperatura seguirà estant comprès dins del rang mesofilic, i en aquest cas estarà entre 16 i 36 ºC simulant cada 4 ºC. I quant al TRH, es tracta del temps que passara l'aigua dins del reactor. Per a variarho, en ser fix el volum, s'augmentara el cabal, i el rang de TRH a simular variarà des dels 1’23 als 0’34 dies, que són els TRH als quals s'aconsegueix una concentració de sòlids suspesos en el reactor d'aproximadament 10000 i 40000 mg/l respectivament. Sent el TRH inicial de 0’86 dies es prengueren punts cada variació del 10% del cabal inicial fins a aconseguir els extrems. Una vegada realitzades les simulacions i extretes les dades, per a trobar l'òptim d'operació quant a la producció de biogàs s'emprarà la metodologia estadística de la Superfície de Resposta (en anglès, Response Surface Methodology o RSM), la qual consisteix en un conjunt de tècniques estadístiques i matemàtiques empleades amb la finalitat de modelar problemes en els quals una variable és influenciada per unes altres i té el seu origen en el treball de Box i Wilson (1951). En tractar‐se en aquest cas de dades obtingudes mitjançant simulació i no de manera experimental, es tractara d'una superfície de resposta virtual. En realitzar el model de la superfície de resposta mitjançant el programa informàtic MINITAB, s'emprarà un disseny central compost amb dos factors, i per a tenir en compte tant el cabal de biogàs obtingut com el percentatge de metà que este conté, en primer lloc es realitzaran dues superfícies de resposta i seguidament se superposaran les dues gràfiques independents, trobant així un òptim quant a producció i percentatge de metà. Finalment, es calcularà el consum energètic de la planta per als casos simulats en la segona sèrie, amb l'objectiu d'observar l'estalvi energètic que suposa la reutilització del biogàs obtingut, i si l'augment de la quantitat produïda a mesura que s'augmenta la temperatura del tractament, compensa el cost energètic d'aquest augment. A més de trobar el límit mecànic de la planta ja que el programa informàtic DESASS únicament simula el funcionament del procés biològic. Per a aquest càlcul s'adaptarà el mètode plantejat en articles anteriors (Pretel et al. 2014), i es suposaran les següents hipòtesis quant al consum energètic: ‐ Solament es tindrà en compte el consum en fase d'operació. ‐ La planta pilot SAnMBR es suposa un reactor constant i en estat estacionari. ‐ Els processos de pretractament no es tenen en compte en el càlcul. ‐ El transport del fang resultant no està contemplat en els càlculs. Finalment, per a trobar l'òptim quant a consum energètic, apliquem la metodologia anteriorment ressenyada de la Superfície de Resposta, emprant el programa informàtic MINITAB, a la dada final de consum energètic i obtenim amb que temperatura i cabal seria més eficient econòmicament la planta pilot.