Primera etapa

Se desarrollaron escenarios para el sistema de tratamiento biológico en estudio, con el fin de observar su comportamiento en cuanto a remoción de carga orgánica y nitrógeno. Para ello se introdujeron los datos de caracterización del agua residual y lodos obtenidos en la campaña de muestreo, así como el dimensionamiento actual de cada uno de los reactores. A través de la simulación se observó la desnitrificación en el reactor anóxico, el proceso de nitrificación en los reactores aerobios de tipo mezcla completa (CSTR) y la calidad del efluente permeado en el MBR.

Segunda etapa

Se simularon escenarios para el sistema de tratamiento biológico actual, variando parámetros importantes en el proceso de nitrificación-desnitrificación, tales como pH, temperatura, OD, alcalinidad, concentración de sólidos suspendidos en cada uno de los reactores, flujo de recirculación (Q_RAS) y purga (Q_WAS), con el fin de observar la eficiencia de remoción de carga orgánica y nitrógeno.

Tercera etapa

El sistema de tratamiento biológico actual fue modificado. Se construyó un nuevo reactor anóxico, se amplió el CSTR y sólo se dejó como tal el MBR. La ampliación del tratamiento aerobio consistió únicamente en cambiar el reactor anóxico por un CSTR, quedando entonces tres CSTR con las mismas dimensiones actuales para evitar costos mayores. En esta etapa se simularon varios escenarios, con los datos de caracterización del agua residual obtenidos en campaña en el influente al anóxico, y variando la concentración de sólidos en cada uno de los reactores (anóxico-CSTR-MBR), así como el Q_RAS y Q_WAS. Para este modelo, se consideró el mejor escenario de operación en cuanto al OD según los resultados obtenidos en la segunda etapa. La temperatura, el pH y la alcalinidad se mantuvieron con las condiciones de operación normal de la PTAR actual.

Cuarta etapa

El sistema de tratamiento biológico actual se modificó. Se construyó un nuevo reactor anóxico, se amplió el tren de tratamiento aerobio (CSTR) y se cambió el MBR por un clarificador secundario (CS). La ampliación del tratamiento aerobio consistió sólo en cambiar el reactor anóxico por un CSTR, quedando entonces tres CSTR con las mismas dimensiones actuales para evitar costos mayores. Para este último modelo se seleccionaron los mejores escenarios de las etapas anteriores hasta llegar a la optimización del sistema de tratamiento.

Calibración del modelo actual y variación de parámetros que influyen en el proceso de nitrificación y desnitrificación

El modelo utilizado para la calibración del sistema de tratamiento biológico de la planta en estudio se muestra en la figura 2. Los datos introducidos al simulador fueron la caracterización del influente (Cuadro IV), los diseños nominales de los equipos y la caracterización de lodos (Cuadro III), así como la relación XCOD/VSS (DQO_PARTICULADA/SSV) obtenida en los reactores durante los cinco días de muestreo.

Fig. 2 Modelo del sistema de tratamiento biológico: reactor anóxico, reactores aerobios (CSTR) y reactor biológico de membrana (MBR) 

Los datos introducidos al programa GPS-X fueron: Q_INF = 190 m³/d; reactor anóxico (V = 133 m³, H = 4.1 m, T = 38 ºC, OD = 0.29 mg/L, alcalinidad = 3073 mg/L, XCOD/VSS = 0.4); CSTR 1 (V = 300 m³, H = 4.1 m, T = 40 ºC, OD = 3.9 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 0.7); CSTR 2 (V = 330 m³, H = 4.1 m, T = 40 ºC, OD = 3.9 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 0.7, Q_RAS = 50 m³/d); MBR (V = 127 m³, A_{SUP. MBR} = 20.9 m², A_{SUP. MEMBRANA} = 1920 m², H = 4.1 m, T = 39.1 ºC, OD = 3.9 mg/L, alcalinidad = 2231 mg/L, XCOD/VSS = 0.9, flujo de aire cruzado = 15 960 m³/d, flujo de aire en tanque = 15 960 m³/d, Q_WAS = 50 m³/d).

Los resultados obtenidos se muestran en el cuadro VII. Se hace énfasis en los resultados de calidad del efluente permeado en el MBR. Con estos resultados, la concentración de SST en el reactor anóxico, CSTR1, CSTR2 y MBR fueron de 8297 mg/L, 6775 mg/L, 5559 mg/L y 13 290 mg/L, respectivamente, mismos que comparados con los datos de operación normal de la planta (Cuadro III) representan una diferencia significativa, más en el caso del reactor anóxico (10 454 mg/L) y el MBR (7783 mg/L). En el caso de parámetros con magnitudes significativas (por ejemplo, los SST en el reactor aerobio), de manera general se puede decir que diferencias entre 5 y 15 % de los valores simulados respecto a los datos medidos son considerados aceptables; por otra parte, en el caso de magnitudes pequeñas (por ejemplo, SST en el efluente), son aceptables diferencias de 10 a 100 % comprendidas en concentraciones de alrededor de 1 mg/L (^{Shaw et al. 2012}).

Debido a la diferencia de SST medidos y simulados en los reactores, se ajustó la relación XCOD/VSS con el fin de representar la operación actual del sistema biológico de tratamiento. Los resultados se muestran en el cuadro VIII. Con este ajuste en los reactores, los resultados del efluente permeado fueron los mismos que se muestran en el cuadro VII. Por otra parte, la relación F/M para los CSTR y MBR quedaron dentro del rango establecido en la bibliografía, al igual que el tiempo de retención celular (SRT), que fue de 18.8 d (de 5 a 20 d según ^{Tchobanoglous et al. [2003]}).

Una vez que se calibró el sistema de tratamiento actual, se hicieron cambios en algunos parámetros con el fin de disminuir la concentración del N_TOT en el efluente permeado. Se disminuyó el OD en los reactores a condiciones de operación normal (^{Tchobanoglous et al. 2003}), ya que se consideran elevados y representan un gasto de energía importante. El OD en el R_ANOX, CSTR1, CSTR2 y MBR se bajó a 0.0, 2.0, 2.0 y 2.0 mg/L, respectivamente, obteniendo con ello una concentración de N_TOT en el efluente de 1282 mg/L y una DBO₅ de 21.66 mg/L; es decir, disminuyendo el OD la nitrificación y desnitrificación se mantienen constantes. Cabe señalar que también se corrieron escenarios con cambios en la temperatura, alcalinidad, Q_RAS y Q_WAS, los cuales mostraron resultados similares con buena remoción de DBO₅, pero no del N_TOT. Finalmente, se redujeron los SST en el R_ANOX, CSTR₁, CSTR₂ y se aumentaron en el MBR. La idea fue observar la calidad del efluente permeado ajustando los SST de acuerdo con los parámetros de operación manejados en la bibliografía. Se ajustaron los SST con la relación XCOD/VSS (Cuadro IX).

Con este nuevo ajuste de XCOD/VSS se trataron de obtener los SST en el anóxico, CSTR1 y CSTR2 en el límite máximo de acuerdo con el rango de operación normal (4000 mg/L), mientras que en el MBR arriba de los 10 000 mg/L sin pasar de los 12 000 mg/L, que es el límite según el fabricante. Se manejaron un Q_RAS y un Q_WAS de 50 m³/d. Con este ajuste de SST se obtuvieron concentraciones de SST, DBO₅ y N_TOT en el efluente permeado de 1.096, 21.63 y 1283 mg/L, respectivamente, cumpliendo con la NOM-001-SEMARNAT-1996 (^{SEMARNAT 1996}) (Cuadro VI) en los dos primeros parámetros, pero no para el N_TOT. La relación F/M en el CSTR1 estuvo un poco por arriba del rango según la bibliografía, no así en el caso del CSTR2 y MBR. El SRT obtenido fue de 8.0 d, también dentro de los límites marcados. El escenario simulado se muestra en la figura 3. Este escenario resultó el mejor en cuanto a operación de la PTAR actual, ya que, de inicio, al bajar la concentración de OD disminuye el consumo de energía; asimismo, al disminuir la concentración de SST en los reactores, se baja el costo de energía por aireación para mantener los sólidos en suspensión. En suma, ajustando los SST y el OD a los rangos de operación normal marcados en la bibliografía, se obtienen los mismos resultados que con concentraciones mayores. Sin embargo, considerando que el problema de nitrificación-desnitrificación persiste, se analizaron otros escenarios que pueden ayudar a resolver este problema.

Fig. 3 Escenario de simulación para ajuste de sólidos suspendidos totales (SST) del sistema de tratamiento biológico: reactor anóxico, reactores aerobios (CSTR) y reactor biológico de membrana (MBR) con el modelo de la Fig. 2  

Modelo de ampliación con MBR

Se propuso un nuevo reactor anóxico y la conversión del reactor anóxico existente a un CSTR, quedando entonces tres CSTR con los volúmenes actuales de la planta de tratamiento, más el MBR (Fig. 4).

Fig. 4 Modelo de ampliación con reactor biológico de membrana (MBR) 

Los datos introducidos al programa GPS-X (escenario default) fueron: Q_INF = 190 m³/d; nuevo reactor anóxico (V = 1000 m³ [default], T = 38ºC, OD = 0.0 mg/L, alcalinidad = 3073 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor anóxico (convertido a CSTR1) (V = 133 m³, H = 4.1 m, T = 38ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor 1 (convertido a CSTR2) (V = 300 m³, H = 4.1 m, T = 40ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor 2 (convertido a CSTR3) (V = 330 m³, H = 4.1 m, T = 40ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, Q_RAS = 50 m³/d, XCOD/VSS = 1.48 [default]); MBR (V = 127 m³, A_{SUP. MBR} = 20.9 m², A_{SUP. MEMBRANA} = 1920 m², H = 4.1 m, T = 39.1ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2231 mg/L, flujo de aire cruzado = 15 960 m³/d, flujo de aire en tanque = 15 960 m³/d, Q_WAS = 50 m³/d, XCOD/VSS = 1.48 [default]).

En el primer escenario simulado por default, los resultados obtenidos en el efluente permeado fueron: SST = 0.90 mg/L, DBO₅ = 32.07 mg/L, N_TOT = 1184 mg/L. La concentración de N_TOT disminuyó con relación al mejor escenario de operación actual de la PTAR (Fig. 3), pero la DBO₅ aumentó. Las concentraciones de SST en los reactores fueron de 2311, 3568, 3151, 2796 y 9020 mg/L en el anóxico, CSTR1, CSTR2, CSTR3 y MBR, respectivamente, las cuales están muy alejadas de los datos de operación actual de la planta (Cuadro III).

En el siguiente escenario se ajustó la concentración de SST en los reactores con la relación XCOD/VSS a las condiciones de operación actual de la PTAR. Los resultados se muestran en el cuadro X. Con este ajuste, los resultados de simulación en el efluente permeado fueron: SST = 0.75 mg/L, DBO₅ = 32.76 mg/L, N_TOT = 1177 mg/L, muy similares al escenario por default. El SRT se elevó hasta 46.93 d.

Para disminuir el SRT, se variaron el Q_RAS, Q_WAS y el volumen del reactor anóxico (pero con los mismos volúmenes de los CSTR, ya que estos últimos no pueden ampliarse porque su reconstrucción tendría un alto costo). Para mantener la concentración de SST en los reactores también se ajustó XCOD/VSS de acuerdo con la bibliografía (Cuadro XI). El mejor escenario de operación se dio con el Q_RAS y el Q_WAS en 50 m³/d, y con un volumen del reactor anóxico de 200 m³. Con este ajuste, los resultados de simulación en el efluente permeado fueron: SST = 1.12 mg/L, DBO₅ = 29.37 mg/L, N_TOT = 1188 mg/L, muy similares al escenario por default. El SRT disminuyó a 9.6 d. El escenario de simulación se presenta en la figura 5.

Fig. 5 Escenario de simulación para ajuste de sólidos suspendidos totales (SST) del sistema de tratamiento biológico: reactor anóxico, reactores aerobios (CSTR) y reactor biológico de membrana (MBR) con el modelo de la Fig. 4  

Modelo de ampliación con clarificador secundario (CS)

Se propuso un nuevo reactor anóxico y la conversión del reactor anóxico existente a un CSTR, quedando entonces tres CSTR con los volúmenes actuales de la planta de tratamiento, y se cambió el MBR por un clarificador secundario (CS) (Fig. 6).

Fig. 6 Modelo de ampliación con clarificador secundario (CS) 

Los datos introducidos en el programa GPS-X de inicio (escenario default) fueron: Q_INF = 190 m³/d; nuevo reactor anóxico (V = 1000 m³ [default], T = 38ºC, OD = 0.0 mg/L, alcalinidad = 3073 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor anóxico (convertido a CSTR1) (V = 133 m³, H = 4.1 m, T = 38ºC, OD = 2.0 mg/L, Alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor 1 (convertido a CSTR2) (V = 300 m³, H = 4.1 m, T = 40ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); reactor 2 (convertido a CSTR3) (V = 330 m³, H = 4.1 m, T = 40ºC, OD = 2.0 mg/L, alcalinidad = 2442 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]); CS (tipo fondo plano, A_SUP = 100 m² [default], H_agua = 3 m, Q_WAS = 40 m³/d [default], Q_RAS = 2000 m³/d [default], alcalinidad = 2231 mg/L, XCOD/VSS = 1.48 [default]).

En el primer escenario simulado por default, los resultados obtenidos en el efluente fueron: SST = 8.73 mg/L, DBO₅ = 2.22 mg/L y N_TOT = 126.5 mg/L, reduciéndose significativamente la carga orgánica y el N_TOT. La concentración de SST en los reactores fue de 8843, 8819, 8772 y 8725 mg/L en el anóxico, CSTR1, CSTR2 y CSTR3 respectivamente, los cuales son muy similares a los datos de operación actual de la planta (Cuadro III) excepto en el reactor anóxico. Las relaciones F/M estuvieron fuera del rango de operación según la bibliografía para todos los reactores (Cuadro X). El SRT fue de 17.78 d (entre tres y 15 d según ^{Tchobanoglous et al. [2003]} ).

Observando los buenos resultados obtenidos en cuanto a remoción de N_TOT en el escenario por default, en el siguiente escenario se ajustaron los SST en los reactores con XCOD/VSS de acuerdo con lo que se maneja en la bibliografía. Se ajustó también el volumen del reactor anóxico, el cual se redujo hasta 800 m³. El área del CS se mantuvo en 100 m², el Q_RAS se optimizó a 3000 m³/d y el Q_WAS a 100 m³/d. Los resultados se muestran en cuadro XII.

Con este ajuste, los resultados de simulación en el efluente fueron: SST = 3.92 mg/L, DBO₅ = 2.07 mg/L y N_TOT = 89.49 mg/L. El SRT fue de 7.32 d (entre tres y 15 d según ^{Tchobanoglous et al. [2003]}), mientras que la relación F/M se mantuvo fuera del rango. Por otra parte, la carga hidráulica superficial (CHS) y la carga de sólidos (Cs) en el sedimentador secundario fueron de 0.9 m³/m²-d y 124.8 kg/m²-d, respectivamente, las cuales son aceptables según la bibliografía (Tchobanoglous et al. 2003). Este escenario (Fig. 7) presentó los mejores resultados en cuanto a remoción de N_TOT con un 94.7 %, además de presentar una buena sedimentación de lodos, tal como se observa en la gráfica de barras.

Fig. 7 Escenario de simulación para ajuste de sólidos suspendidos totales (SST) del sistema de tratamiento biológico: reactor anóxico, reactores aerobios (CSTR) y reactor biológico de membrana (MBR) con el modelo de la Fig. 6  

Por último, considerando que la relación F/M está muy por arriba del rango de operación según la bibliografía, se simularon escenarios para disminuir dicha relación a través del Q_RAS, el Q_WAS y la relación XCOD/VSS. De esta manera, el Q_RAS y el Q_WAS se optimizaron en 1000 y 50 m³/d, respectivamente, el volumen del reactor anóxico quedó en 800 m³ y el área del clarificador secundario se mantuvo en 100 m². Los resultados se muestran en cuadro XIII. Con este ajuste, los resultados de simulación en el efluente fueron: SST = 7.92 mg/L, DBO₅ = 4.19 mg/L y N_TOT = 258.5 mg/L. El SRT fue de 13.28 d (entre tres y 15 d según ^{Tchobanoglous et al. [2003]}). Por otra parte, la carga hidráulica superficial (CHS) y la carga de sólidos (Cs) en el sedimentador secundario fueron de 1.4 m³/m²-d y 94.2 kg/m²-d, respectivamente, las cuales son aceptables según la bibliografía (^{Tchobanoglous et al. 2003}). Con este escenario (Fig. 8) la remoción de N_TOT fue de un 84.8 %, además de presentar una buena sedimentación de lodos, tal como se observa en la gráfica de barras.

Fig. 8 Escenario de simulación para ajuste de F/M (kg DBO₅/kg MLVSS-d) en reactores aerobios (CSTR) con el modelo de Fig. 6  

En suma, el proceso de desnitrificación llevado a cabo con el modelo de la figura 6 a través del reactor anóxico y el CS, llega a un punto en que el grado de reacción no puede aumentar, ya que está sujeto al proceso de nitrificación que se da en los tres CSTR. Si se quiere reducir aún más la concentración del N_TOT, es necesario aumentar el volumen de los CSTR, lo cual generaría un costo extraordinario ajeno al objetivo de este trabajo de investigación. La idea principal fue reducir el N_TOT hasta un mínimo al menor costo posible, lo cual ocurrió con la propuesta de un nuevo reactor anóxico y el cambio del MBR por un CS. Cabe señalar que al aumentar el área superficial del CS se mantuvo el mismo grado de desnitrificación debido precisamente a la limitación del proceso de nitrificación en los reactores. Es posible llegar a este mismo escenario si se elimina el reactor anóxico y se aumenta el área superficial del CS, ya que este último se opera en condiciones anóxicas; sin embargo, esto generaría mayor costo de construcción y uso de terreno al utilizarse más clarificadores secundarios.