Modelacin de procesos bioqumicos en aguas superficiales mediante
Modelación de procesos bioquímicos en aguas superficiales mediante un código de transporte reactivo Javier Pareja Bernal Enginyeria Geològica Tesina
Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Motivación Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Motivación Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
Imágenes de contaminación residual en aguas superficiales
M. O. + O 2 + disuelto NH 4 NO 3 NO 2 HPO 4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Motivación Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
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.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Motivación Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
Objetivos • Adaptar un modelo que utiliza una descripción matemática formal y generalizada para aguas superficiales. • Cuantificar y entender los procesos bioquímicos que suceden.
1. 2. 3. 4. Motivación Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico 3. 1 Procesos químicos 3. 2 Especies bioquímicas 3. 3 Procesos metabólicos 3. 4 Coeficientes estequiométricos 3. 5 Cinética metabólica 5. 6. 7. Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
Procesos metabólicos Microorganismos Bacterias Heterótrofas (XH) Bacterias nitrificadoras 1 er estadio (XN 1) Obtención energía Procesos que realizan Quimoorganotrófico: Materia orgánica disuelta (Ss) Crecimiento por degradación de materia orgánica, condiciones aeróbicas y/o anaeróbicas. Respiración aeróbica y anaeróbica. Quimolitotrófico: Amonio (NH 4+) Crecimiento por oxidación del Amonio a Nitrito. Respiración.
Microorganismos Bacterias nitrificadoras 2 o estadio (XN 2) Algas y micrófitos (XALG) Organismos Consumidores (XCON) Obtención energía Procesos que realizan Quimolitotrófico: Nitrito (NO 2 -) Crecimiento por oxidación del Nitrito a Nitrato. Respiración. Fotolitotrófico: Energía radiante Crecimiento con Amonio y Nitrato. Respiración. Muerte. Quimoorganotrófico: Otros organismos Crecimiento por depredación de otros organismos. Respiración. Muerte. Destacar que se han modelado 24 procesos cinéticos
Procesos Químicos • Reaireación: – O 2 (atm) : KH (25ºC) = 790. 7 PO 2 = 0. 2 [O 2 sat] (atm kg/mol) (atm) = 2. 5· 10 -4 (mol/kg) r. O 2(atm)= k. O 2(atm)· ΔO 2 – CO 2 (atm) : KH (25ºC) = 1536 (atm kg/mol) PCO 2 = 3. 25· 10 -4 (atm) [CO 2 sat] = 2. 1· 10 -7 (mol/kg) r. CO 2(atm)= k. CO 2(atm)· ΔCO 2
Procesos Químicos • Reacciones en Equilibrio 'CO 2' + 'H 2 O' 'H+' + 'HCO 3 -' ; 'CO 32 -' + 'H+' 'HCO 3 -' 'OH-' + 'H+' 'H 2 O' 'PO 43 -' + 'H+' 'HPO 42 -' 'H 2 PO 4 -' 'H+' + 'HPO 42 -' ; 'NH 3' + 'H+' 'NH 4+' ; log. Keq = -6. 3447 ; log. Keq = 10. 3288 ; log. Keq = 13. 9951 ; log. Keq = 12. 3218 log. Keq = -7. 2054 log. Keq = 18. 0385
Especies bioquímicas Sustancias orgánicas disueltas: Ss: Materia orgánica disuelta. CαC, Ss/12 HαH, Ss OαO, Ss/16 NαN, Ss/14 PαP, Ss/31 Xs: Partículas de materia orgánica en suspensión. CαC, XS/12 HαH, XS OαO, XS/16 NαN, XS/14 PαP, XS/31 XH: Bacterias heterótrofas. CαC, XH/12 HαH, XH OαO, XH/16 NαN, XH /14 PαP, XH /31 XN 1: Bacterias que oxidan el amonio a nitrito. CαC, XN 1/12 HαH, XN 1 OαO, XN 1/16 NαN, XN 1/14 PαP, XN 1/31
Especies bioquímicas XN 2: Bacterias que oxidan el nitrito a nitrato. CαC, XN 2/12 HαH, XN 2 OαO, XN 2/16 NαN, XN 2/14 PαP, XN 2/31 XALG: Algas que crecen con sustancias nitrogenadas. CαC, XALG/12 HαH, XALG OαO, XALG/16 NαN, XALG/14 PαP, XALG/31 XCON: Organismo depredadores de otro tipo de organismos incluyendo partículas de materia orgánica particulada. CαC, XCON/12 HαH, XCON OαO, XCON/16 NαN, XCON/14 PαP, XCON /31 Se define Pm. sust. org. = 1(g/mol)
Coeficientes estequiométricos Coeficientes de rendimiento: Símbolo YH, aer Descripción Unidad Rendimiento para el crecimiento aeróbico de heterotróficos g. XH/g. Ss YH, anox, NO 3 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrato g. XH/g. Ss YH, anox, NO 2 Rendimiento para el crecimiento anaeróbico de heterotróficos con nitrito g. XH/g. Ss Fracción en la respiración heterotróficas y autotróficas que se convierte en biomasa inerte g. XI/g. XH f. I, BAC YN 1 Rendimiento para el crecimiento del 1 er estadio de los nitrificadores g. XN 1/g. NH 4 -N YN 2 Rendimiento para el crecimiento del 2 o estadio de los nitrificadores g. XN 2/g. NO 2 -N f. I, ALG Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de las algas g. XI/g(Xs+XI)
Coeficientes estequiométricos Coeficientes de rendimiento (cont): Símbolo YALG, death YCON fe f. I, CON YCON, death YHYD Descripción Rendimiento de la muerte de algas Rendimiento de consumición Fracción de biomasa incorporada que es excretada como pelets fecales Fracción de materia orgánica particulada que se convierte en inerte durante la muerte de los consumidores Rendimiento de la muerte de los consumidores Rendimiento por hidrólisis Unidad g(Xs+XI)/g. XALG g. XCON/g. XALG g. XS/g. XCON g. XI/g(Xs+XI)/g. XCon g. Ss/g. Xs
Coeficientes estequiométricos La formulación química de la reacción Aer. Growth. HET(NH 4) es, Sss Ss +SNH 4 + SH 2 O +SHPO 4 + SO 2 O 2 SXHXH +SHCO 3 + SHH El cálculo de los coeficientes estequiométricos, SXH = 1 (mol. XH) SSs=-1/YH, aer(mol. Ss/mol. XH) DATOS SNH 4= SXH·αN, XH/14 – SSs·αN, Ss/14 (mol. N/mol. XH) [BALANCE DE N] SHPO 4= SXH·αP, XH/31 – SSs·αP, Ss/31 (mol. P/mol. XH) [BALANCE DE P] SHCO 3= SSs·αC, Ss/12 – SXH·αC, XH/12 (mol. C/mol. XH) [BALANCE DE C] SH= 4·SNH 4 - SHCO 3 + SHPO 4 + SSs - SXH (mol. H/mol. XH) [BALANCE DE CARGA] SH 2 O=0. 5·SH – SHCO 3 – 1. 5·SNH 4 – 1. 5·SHPO 4 (mol. H 2 O/mol. XH) [BALANCE DE H] El oxigeno se ajusta, SO 2= SSsαO, Ss/32 + 0. 75 SNH 4 - SXHαO, XH/32 - 0. 25 SH - SHCO 3 - 1. 25 SHPO 4 (mol. O 2/mol. XH)
Cinética metabólica Constantes cinéticas de 1 er orden ( s-1) y las Constantes de inhibición y media saturación (mol/l) del modelo de transporte reactivo, 1 0. 5 kgro_h_aer kgro_con__alg KHPO 4_alg KNO 2_h_anox kgro_con__Xs KHPO 4_h_aer KNO 2_N 2 kresp_h_are kgro_con__Xh kresp_h_anox kgro_con__Xn 1 KHPO 4_h_anox KO 2_alg kgro_N 1 kgro_con__Xn 2 KHPO 4_N 1 KO 2_con kresp_N 1 kresp_con KHPO 4_N 2 KO 2_h_aer kgro_N 2 kdea_con KN_alg KO 2_N 1 kresp_N 2 khyd KNH 4_alg KO 2_N 2 kgro_alg k. O 2 KN_H_aer Ks_h_aer kresp_alg k. CO 2 KNH 4_N 1 kdea_alg K 1 0. 5 conc. K KNO 3_h_anox Utilizando una reacción cinética del modelo se obtiene, Ks_h_anox conc.
1. 2. 3. Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico 3. 1 Procesos químicos 3. 2 Especies bioquímicas 3. 3 Procesos metabólicos 3. 4 Coeficientes estequiométricos 3. 5 Cinética metabólica 4. 5. 6. Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
Geometría y flujo Q= 20 m 3/s Área=100 m 2 Punto de vertido de Agua residual P. K. vertido=1102, 5 m Qvertido= 0, 3 m 3/s h= 2, 5 m Pendiente del río = 1º/ºº L = 98000 (m) Q= 20, 3 m 3/s Área=100 m 2
Parámetros del modelo bioquímico Las especies orgánicas e inorgánicas Fracciones másicas Coeficientes de rendimiento Constantes cinéticas Se adoptan los valores aportados por el artículo del RWQM de P. Reichert (2001)
Cálculo de los coeficientes estequiométricos
Condiciones inicial y de contorno Especie Concentración inicial río (mol/l) Concentración inicial vertido (mol/l) 'HCO 3' 3. 2 E-05 (CO 2(atm)) 1. 43 E-03 'HPO 4' 1. 04 E-07 2. 08 E-03 'H' 1. 86 E-07 6. 32 E-07 'NH 4' 5. 71 E-07 3. 67 E-05 'NO 3' 6. 43 E-06 1. 94 E-05 'O 2' 2. 6 E-04 (O 2(atm)) 1. 00 E-10 'NO 2' 1. 43 E-07 4. 35 E-04 N 2' 4. 9 E-04 (N 2 gas) 'SS' 4. 75 E-08 4. 00 E-01 'XH ' 1. 00 E-09 2. 56 E-02 'XN 1' 1. 00 E-10 1. 46 E-04 'XN 2' 1. 00 E-10 2. 56 E-05 'XALG' 1. 12 E-07 1. 00 E-10 'XS' 1. 00 E-10 2. 78 E-05 'XCON' 1. 12 E-07 1. 00 E-10 'XI' 1. 00 E-10 7. 46 E-05 Índice DQO: 3. 55· 10 -4 (mol/L) 11. 37 (mg/L)
Resultados
Evolución del Oxigeno disuelto
Procesos que controlan el oxigeno disuelto
Evolución bacterias heterótrofas
Procesos de fuente/sumidero de bacterias heterótrofas
Evolución de la materia orgánica
Procesos de fuente/sumidero de materia orgánica disuelta
Evolución de nutrientes
Evolución de las bacterias nitrificadoras
1. 2. 3. Antecedentes Objetivos Modelo Bioquímico 3. 1 Especies bioquímicas 3. 2 Procesos químicos 3. 3 Coeficientes estequiométricos 3. 4 Cinética metabólica 4. 5. 6. Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
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 (XH, XN 1 y XN 2) y por tanto provoca una DQO diferente.
Sensibilidad resultados qvertido • Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes de población. Población Media por habitante Caudal de agua residual Flujo de agua residual 1 86400 100 (l/dia*hab) 0. 1 (m 3/s) 1 (Kg/m 2·s) 2 250000 100 (l/dia*hab) 0. 3 (m 3/s) 3 (Kg/m 2·s) 3 600000 100 (l/dia*hab) 0. 7 (m 3/s) 7 (Kg/m 2·s) 4 925000 100 (l/dia*hab) 1. 07 (m 3/s) 10. 7 (Kg/m 2·s) 5 4000000 100 (l/dia*hab) 4. 63 (m 3/s) 46. 3 (Kg/m 2·s)
Evolución del oxigeno disuelto
Evolución de la materia orgánica
Evolución de procesos de desnitrificación • Procesos de degradación de materia orgánica • Condiciones anaeróbicas
Sensibilidad por variación de la cantidad de bacterias Especie XH XN 1 XN 2 Patrón 3. 55 E-04 11. 37 Patrón 2. 56 E-02 1. 46 E-04 2. 56 E-05 Patrón· 101 5. 30 E-04 16. 97 Patrón· 101 2. 56 E-01 1. 46 E-03 2. 56 E-04 Patrón· 10 -1 3. 38 E-04 10. 81 Patrón· 10 -1 2. 56 E-03 1. 46 E-05 2. 56 E-06 Índice DQO (mol/l) (mg/l)
Evolución del O 2 disuelto, Ss y XH La recuperación de oxigeno, en función de: • Carga bacterial: Bacterias ΔO 2 • Nitrificación de 1 er estadio y de 2º estadio
Evolución de nutrientes y bacterias nitrificadoras
1. Antecedentes 2. Objetivos 3. Modelo Bioquímico 3. 1 Especies bioquímicas 3. 2 Procesos químicos 3. 3 Coeficientes estequiométricos 3. 4 Cinética metabólica 4. 5. 6. Aplicación Análisis de sensibilidad paramétrica Conclusiones
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 (QH 2 O río, Qvertido 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).
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