Modelación de procesos bioquímicos en aguas superficiales mediante un código de transporte reactivo Javier Pareja Bernal Enginyeria Geològica Tesina.

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1 Modelación de procesos bioquímicos en aguas superficiales mediante un código de transporte reactivo Javier Pareja Bernal Enginyeria Geològica Tesina

2 Índice 1.Motivación 2.Antecedentes 3.Objetivos 4.Modelo Bioquímico 5.Aplicación 6.Análisis de sensibilidad paramétrica 7.Conclusiones

3 1.Motivación 2.Antecedentes 3.Objetivos 4.Modelo Bioquímico 5.Aplicación 6.Análisis de sensibilidad paramétrica 7.Conclusiones

4 Imágenes de contaminación residual en aguas superficiales

5 NH 4 NO 2 NO 3 HPO 4 O 2 disuelto + + M.O.

6 1.Motivación 2.Antecedentes 3.Objetivos 4.Modelo Bioquímico 5.Aplicación 6.Análisis de sensibilidad paramétrica 7.Conclusiones

7 Antecedentes Metodología ‘ad hoc’ para la resolución de problemas bioquímicos para aguas superficiales. Saaltink et al. (2005) se utiliza una formulación formal y generalizada para la resolución de problemas para un medio poroso.

8 1.Motivación 2.Antecedentes 3.Objetivos 4.Modelo Bioquímico 5.Aplicación 6.Análisis de sensibilidad paramétrica 7.Conclusiones

9 Objetivos Adaptar un modelo que utiliza una descripción matemática formal y generalizada para aguas superficiales. Cuantificar y entender los procesos bioquímicos que suceden.

10 1.Motivación 2.Antecedentes 3.Objetivos 4.Modelo Bioquímico 3.1 Procesos químicos 3.2 Especies bioquímicas 3.3 Procesos metabólicos 3.4 Coeficientes estequiométricos 3.5 Cinética metabólica 5.Aplicación 6.Análisis de sensibilidad paramétrica 7.Conclusiones

11 Procesos metabólicos MicroorganismosObtención energía Procesos que realizan Bacterias Heterótrofas (X H ) Quimoorganotrófico: Materia orgánica disuelta (Ss) Crecimiento por degradación de materia orgánica, condiciones aeróbicas y/o anaeróbicas. Respiración aeróbica y anaeróbica. Bacterias nitrificadoras 1er estadio (X N1 ) Quimolitotrófico: Amonio (NH 4 + ) Crecimiento por oxidación del Amonio a Nitrito. Respiración.

12 MicroorganismosObtención energía Procesos que realizan Bacterias nitrificadoras 2o estadio (X N2 ) Quimolitotrófico: Nitrito (NO 2 - ) Crecimiento por oxidación del Nitrito a Nitrato. Respiración. Algas y micrófitos (X ALG ) Fotolitotrófico: Energía radiante Crecimiento con Amonio y Nitrato. Respiración. Muerte. Organismos Consumidores (X CON ) Quimoorganotrófico: Otros organismos Crecimiento por depredación de otros organismos. Respiración. Muerte. Destacar que se han modelado 24 procesos cinéticos

13 Procesos Químicos Reaireación:Reaireación: – O 2 (atm) : K H (25ºC) = 790.7(atm kg/mol) PO 2 = 0.2 (atm) [O 2 sat ] = 2.5·10 -4 (mol/kg) r O2(atm) = k O2(atm) · ΔO 2 –CO 2 (atm) : K H (25ºC) = 1536(atm kg/mol) PCO 2 = 3.25·10 -4 (atm) [CO 2 sat ] = 2.1·10 -7 (mol/kg) r CO2(atm) = k CO2(atm) · ΔCO 2

14 Reacciones en EquilibrioReacciones en Equilibrio 'CO 2 '+ 'H 2 O'  'H + ' + 'HCO 3 - ' ; logK eq = -6.3447 'CO 3 2- '+ 'H + '  'HCO 3 - ' ; logK eq = 10.3288 'OH - ' + 'H +'  'H 2 O' ; logK eq = 13.9951 'PO 4 3- '+ 'H + '  'HPO 4 2- ' ; logK eq = 12.3218 'H 2 PO 4 - '  'H + ' + 'HPO 4 2- ' ; logK eq = -7.2054 'NH 3 '+ 'H + '  'NH 4 + ' ; logK eq = 18.0385 Procesos Químicos

15 Especies bioquímicas Ss: Materia orgánica disuelta. C αC,Ss/12 H αH,Ss O αO,Ss/16 N αN,Ss/14 P αP,Ss/31 Xs: Partículas de materia orgánica en suspensión. C αC,XS/12 H αH,XS O αO,XS/16 N αN,XS/14 P αP,XS/31 X H : Bacterias heterótrofas. C αC,XH/12 H αH,XH O αO,XH/16 N αN,XH /14 P αP,XH /31 X N1 : Bacterias que oxidan el amonio a nitrito. C αC,XN1/12 H αH,XN1 O αO,XN1/16 N αN,XN1/14 P αP,XN1/31 Sustancias orgánicas disueltas:

16 X N2 : Bacterias que oxidan el nitrito a nitrato. C αC,XN2/12 H αH,XN2 O αO,XN2/16 N αN,XN2/14 P αP,XN2/31 X ALG : Algas que crecen con sustancias nitrogenadas. C αC,XALG/12 H αH,XALG O αO,XALG/16 N αN,XALG/14 P αP,XALG/31 X CON : Organismo depredadores de otro tipo de organismos incluyendo partículas de materia orgánica particulada. C αC,XCON/12 H αH,XCON O αO,XCON/16 N αN,XCON/14 P αP,XCON /31 Especies bioquímicas Se define Pm. sust.org. = 1(g/mol)

17 Coeficientes estequiométricos SímboloDescripciónUnidad Y H,aer Rendimiento para el crecimiento aeróbico de heterotróficosgX H /gS s Y H,anox,NO3 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrato gX H /gS s Y H,anox,NO2 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrito gX H /gS s f I,BAC Fracción en la respiración heterotróficas y autotróficas que se convierte en biomasa inerte gX I /gX H Y N1 Rendimiento para el crecimiento del 1 er estadio de los nitrificadores gX N1 /gNH 4 -N Y N2 Rendimiento para el crecimiento del 2 o estadio de los nitrificadoresgX N2 /gNO 2 -N f I,ALG Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de las algas gX I /g(X s +X I ) Coeficientes de rendimiento:

18 SímboloDescripciónUnidad Y ALG,death Rendimiento de la muerte de algasg(X s +X I )/gX ALG Y CON Rendimiento de consumicióngX CON /gX ALG fefe Fracción de biomasa incorporada que es excretada como pelets fecales gX S /gX CON f I,CON Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de los consumidores gX I /g(X s +X I ) Y CON,death Rendimiento de la muerte de los consumidoresg(X s +X I )/gX Con Y HYD Rendimiento por hidrólisisgS s /gX s Coeficientes estequiométricos Coeficientes de rendimiento (cont):

19 DATOS S NH4 = S XH ·α N,XH/14 – S Ss ·α N,Ss/14 (molN/molX H ) [BALANCE DE N] S HPO4 = S XH ·α P,XH/31 – S Ss ·α P,Ss/31 (molP/molX H ) [BALANCE DE P] S HCO3 = S Ss· α C,Ss/12 – S XH· α C,XH/12 (molC/molX H ) [BALANCE DE C] S H = 4·S NH4 - S HCO3 + S HPO4 + S Ss - S XH (molH/molXH) [BALANCE DE CARGA] S H2O =0.5·S H – S HCO3 – 1.5·S NH4 – 1.5·S HPO4 (molH 2 O/molX H ) [BALANCE DE H] El oxigeno se ajusta, S O2 = S Ss α O,Ss/32 + 0.75S NH4 - S XH α O,XH/32 - 0.25S H - S HCO3 - 1.25S HPO4 (molO 2 /molX H ) El cálculo de los coeficientes estequiométricos, S XH = 1 (molX H ) S Ss =-1/Y H,aer (molSs/molX H ) La formulación química de la reacción Aer.GrowthHET(NH4) es, Sss Ss +S NH4 NH 4 + S H2O H 2 O +S HPO4 HPO 4 + S O2 O 2   S XH X H +S HCO3 HCO 3 + S H H Coeficientes estequiométricos

20 Constantes cinéticas de 1er orden ( s -1 ) y las Constantes de inhibición y media saturación (mol/l) del modelo de transporte reactivo, kgro_h_aerkgro_con__alg kgro_h_anoxkgro_con__Xs kresp_h_arekgro_con__Xh kresp_h_anoxkgro_con__Xn1 kgro_N1kgro_con__Xn2 kresp_N1kresp_con kgro_N2kdea_con kresp_N2khyd kgro_algkO2 kresp_algkCO2 kdea_alg K HPO4 _algK NO2 _h_anox K HPO4 _h_aerK NO2 _N2 K HPO4 _h_anoxK O2 _alg K HPO4 _N1K O2 _con K HPO4 _N2K O2 _h_aer K N _algK O2 _N1 K NH4 _algK O2 _N2 K N _H_aerK s _h_aer K NH4 _N1K s _h_anox K NO3 _h_anox Cinética metabólica Utilizando una reacción cinética del modelo se obtiene, K conc. 0.5 1 K 1 conc.

21 1.Antecedentes 2.Objetivos 3.Modelo Bioquímico 3.1 Procesos químicos 3.2 Especies bioquímicas 3.3 Procesos metabólicos 3.4 Coeficientes estequiométricos 3.5 Cinética metabólica 4.Aplicación 5.Análisis de sensibilidad paramétrica 6.Conclusiones

22 Geometría y flujo Punto de vertido de Agua residual P.K. vertido =1102,5m Q vertido = 0,3 m 3 /s Q= 20 m 3 /s Área=100m 2 Q= 20,3 m 3 /s Área=100m 2 h= 2,5 m Pendiente del río = 1 º / ºº L = 98000 (m)

23 Las especies orgánicas e inorgánicas Fracciones másicas Coeficientes de rendimiento Constantes cinéticas Parámetros del modelo bioquímico Se adoptan los valores aportados por el artículo del RWQM de P. Reichert (2001)

24 Cálculo de los coeficientes estequiométricos

25 Condiciones inicial y de contorno EspecieConcentración inicial río (mol/l) Concentración inicial vertido (mol/l) 'HCO3'3.2E-05 (CO 2 (atm) )1.43E-03 'HPO4'1.04E-072.08E-03 'H'1.86E-076.32E-07 'NH4'5.71E-073.67E-05 'NO3'6.43E-061.94E-05 'O2'2.6E-04 (O 2 (atm) )1.00E-10 'NO2'1.43E-074.35E-04 N2'4.9E-04 (N 2 gas) 'SS'4.75E-084.00E-01 'XH '1.00E-092.56E-02 'XN1'1.00E-101.46E-04 'XN2'1.00E-102.56E-05 'XALG'1.12E-071.00E-10 'XS'1.00E-102.78E-05 'XCON'1.12E-071.00E-10 'XI'1.00E-107.46E-05 Índice DQO: 3.55·10 -4 (mol/L) 11.37 (mg/L)

26 Resultados

27 Evolución del Oxigeno disuelto

28 Procesos que controlan el oxigeno disuelto

29 Evolución bacterias heterótrofas

30 Procesos de fuente/sumidero de bacterias heterótrofas

31 Evolución de la materia orgánica

32 Procesos de fuente/sumidero de materia orgánica disuelta

33 Evolución de nutrientes

34 Evolución de las bacterias nitrificadoras

35 1.Antecedentes 2.Objetivos 3.Modelo Bioquímico 3.1 Especies bioquímicas 3.2 Procesos químicos 3.3 Coeficientes estequiométricos 3.4 Cinética metabólica 4.Aplicación 5.Análisis de sensibilidad paramétrica 6.Conclusiones

36 Análisis de sensibilidad paramétrica Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes en la población que se genera el vertido. Análisis de un agua compuesta por diferente concentración de bacterias (X H, X N1 y X N2 ) y por tanto provoca una DQO diferente.

37 Sensibilidad resultados q vertido Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes de población. PoblaciónMedia por habitanteCaudal de agua residual Flujo de agua residual 186400100(l/dia*hab)0.1(m 3 /s)1(Kg/m 2 ·s) 2250000100(l/dia*hab)0.3(m 3 /s)3(Kg/m 2 ·s) 3600000100(l/dia*hab)0.7(m 3 /s)7(Kg/m 2 ·s) 4925000100(l/dia*hab)1.07(m 3 /s)10.7(Kg/m 2 ·s) 54000000100(l/dia*hab)4.63(m 3 /s)46.3(Kg/m 2 ·s)

38 Evolución del oxigeno disuelto

39 Evolución de la materia orgánica

40 Procesos de degradación de materia orgánica Condiciones anaeróbicas Evolución de procesos de desnitrificación

41 Sensibilidad por variación de la cantidad de bacterias EspeciePatrónPatrón·10 1 Patrón·10 -1 XHXH 2.56E-022.56E-012.56E-03 X N1 1.46E-041.46E-031.46E-05 X N2 2.56E-052.56E-042.56E-06 PatrónPatrón·10 1 Patrón·10 -1 Índice DQO 3.55E-045.30E-043.38E-04 (mol/l) 11.3716.9710.81 (mg/l)

42 La recuperación de oxigeno, en función de: Carga bacterial: Bacterias  ΔO2 Nitrificación de 1 er estadio y de 2º estadio Evolución del O 2 disuelto, S s y X H

43 Evolución de nutrientes y bacterias nitrificadoras

44 1.Antecedentes 2.Objetivos 3.Modelo Bioquímico 3.1 Especies bioquímicas 3.2 Procesos químicos 3.3 Coeficientes estequiométricos 3.4 Cinética metabólica 4.Aplicación 5.Análisis de sensibilidad paramétrica 6.Conclusiones

45 Conclusiones Descripción formal y generalizada: –especies –matriz estequiométrica –leyes cinéticas Modelación la contaminación de un río, con un modelo de transporte reactivo multicomponente: –degradación aeróbica de la materia orgánica disuelta –clara bajada de la concentración de oxigeno –crecimiento de los microorganismos Destacar que: –secuencia de progresión de los metabolismos en la degradación de agua residual. –gran cantidad de parámetros (Q H2O río, Q vertido H 2 O residual, la composición química de las sustancias orgánicas y las concentraciones de las sustancias en el río y en el agua residual).