11.4 Modelación de la digestión anaeróbica

Fig. 11.10 Simulación de TAN (XSubnHX-N,1/sub) en [mg/l] durante 2 días = 2880 min con Q = 300 l/min (azul) y Q = 200 l/min (naranja)

Fig. 11.11 Simulación de nitrato-N (XSubno3-N,1/sub) en [mg/l] durante 50 días = 72.000 min con QSubexc/sub = 300 l/día (amarillo), QSubexc/sub = 480 l/día (naranja) y QSubexc/sub = 600 l/día (azul)

La digestión anaeróbica (DA) de material orgánico es un proceso que implica los pasos secuenciales de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (Batstone et al. 2002). La digestión anaeróbica de una mezcla de proteínas, carbohidratos y lípidos se visualiza en la Figura 11.11. Muy a menudo, la hidrólisis se considera como el paso limitante de velocidad en la digestión anaeróbica de materia orgánica compleja (Pavlostathis y GiraldoGomez 1991). Por lo tanto, el aumento de la velocidad de reacción de hidrólisis probablemente conducirá a una tasa de reacción de digestión anaeróbica más alta. Sin embargo, para aumentar las tasas de reacción es necesario comprender mejor el proceso relacionado. Se puede obtener una mayor comprensión a través de la experimentación y/o el modelado matemático. Dado que hay muchos factores que influyen, por ejemplo, en el proceso de hidrólisis, como la concentración de amoníaco, la temperatura, la composición del sustrato, el tamaño de las partículas, el pH, los intermedios, el grado de hidrólisis, es decir, el potencial del contenido hidrolizable y el tiempo de residencia, es casi imposible evaluar el total efecto de los factores sobre la velocidad de reacción de hidrólisis a través de la experimentación. Por lo tanto, la modelización matemática podría ser una alternativa, pero como resultado de todas las incertidumbres en la formulación del modelo, los coeficientes de tasa y las condiciones iniciales, no se pueden esperar respuestas únicas. Sin embargo, un marco de modelización matemática permitiría que los análisis de sensibilidad e incertidumbre facilitaran el proceso de modelización. Como se mencionó anteriormente, la hidrólisis es solo uno de los pasos en la digestión anaeróbica. En consecuencia, la comprensión y optimización del proceso completo de digestión anaeróbica requiere conexiones desde la hidrólisis a los demás procesos que tienen lugar durante la digestión anaeróbica y las interacciones entre todos estos pasos.

El conocido y ampliamente utilizado ADM1 (modelo de digestión anaeróbica\ #1) es un modelo estructurado que incluye desintegración e hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis pasos. La desintegración y la hidrólisis son dos pasos extracelulares. En la fase de desintegración, los sustratos de partículas compuestas se convierten en material inerte, carbohidratos de partículas, proteínas y lípidos. Posteriormente, el paso de hidrólisis enzimática descompone carbohidratos particulados, proteínas y lípidos en monosacáridos, aminoácidos y ácidos grasos de cadena larga (LCFA), respectivamente (Batstone et al. 2002) (ver Fig. 11.12).

ADM1 es un modelo matemático que describe los procesos biológicos y fisicoquímicos de la digestión anaeróbica como un conjunto de ecuaciones diferenciales y algebraicas (DAE). El modelo contiene 26 variables de estado dinámico en términos de concentraciones, 19 procesos cinéticos bioquímicos, 3 procesos cinéticos de transferencia gas-líquido y 8 variables algebraicas implícitas para cada unidad de proceso. Como alternativa, Galí et al. (2009) describieron el proceso anaeróbico como un conjunto de ecuaciones diferenciales con 32 variables de estado dinámico en términos de concentraciones y 6 procesos cinéticos ácido-base adicionales por unidad de proceso. Para una visión general de la modelización de procesos de digestión anaeróbica, nos referimos a Ficara et al. (2012). Sin embargo, en lo que sigue y para algunas primeras ideas sobre el proceso AD, presentaremos un modelo simple de balance de nutrientes de AD en un reactor por lotes de secuenciación (SBR).

11.4.1 Mineralización de nutrientes

La mineralización de nutrientes se puede calcular utilizando la siguiente ecuación (Delaide et al. 2018):

$NR=100%\ veces (\ frac {DN_ {out} -DN {in}} {TN_ {in} -DN_ {in}}) $ (11.15a)

Fig. 11.12 Un esquema simplificado para la digestión anaeróbica de materia orgánica particulada compleja (basado en El-Mashad 2003)

donde NR es la recuperación de nutrientes al final del experimento en porcentaje, DNSubout/sub es la masa total de nutriente disuelto en el flujo de salida, DNSubin/sub es la masa total de nutriente disuelto en la entrada y TNSubin/sub es la masa total de nutrientes disueltos más no disueltos en la entrada (ver también Fig. 11.13).

11.4.2 Reducción orgánica

El rendimiento de reducción orgánica del reactor puede calcularse utilizando la siguiente ecuación:

$η_ {OM} =1-\ frac {\ Delta OM+T_ {OM\ out}} {T_ {OM\ in}} $ (11.15b)

donde ΔOM es la materia orgánica (es decir, DQO, TS, TSS, etc.) dentro del reactor al final del experimento menos la que está al comienzo del experimento, TSUBom out/sub es el flujo total de OM y TSubom in/sub es la entrada total de OM (véase también la Fig. 11.14).

Fig. 11.13 Esquema general del reactor para determinar el potencial de mineralización, donde el DN son los nutrientes disueltos en el agua, las Naciones Unidas los nutrientes no disueltos en el lodo (es decir, TN-DN) y TN los nutrientes totales

Fig. 11.14 Esquema general del reactor para determinar el potencial de reducción del material orgánico, donde TsubOM/sub es la materia orgánica total y ΔOM el cambio de materia orgánica dentro del reactor