Javier Pareja Bernal Enginyeria Geològica Tesina

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

2. Índice • Motivación • Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • Conclusiones

3. Motivación • Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • Conclusiones

4. Imágenes de contaminación residual en aguas superficiales

5. M.O. + NH4 NO2 NO3 HPO4 + O2 disuelto

6. Motivación • Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • 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. Motivación • Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • 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. 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 • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • Conclusiones

11. Procesos metabólicos

12. Destacar que se han modelado 24 procesos cinéticos

13. Procesos Químicos • Reaireación: • O2 (atm) : KH (25ºC) = 790.7 (atm kg/mol) PO2 = 0.2 (atm) [O2sat] = 2.5·10-4 (mol/kg) rO2(atm)= kO2(atm)· ΔO2 • CO2 (atm) : KH (25ºC)= 1536 (atm kg/mol) PCO2 = 3.25·10-4 (atm) [CO2sat] = 2.1·10-7 (mol/kg) rCO2(atm)= kCO2(atm)· ΔCO2

14. Procesos Químicos • Reacciones en Equilibrio 'CO2' + 'H2O'  'H+' + 'HCO3-' ; logKeq = -6.3447 'CO32-' + 'H+'  'HCO3-' ; logKeq = 10.3288 'OH-' + 'H+' 'H2O' ; logKeq = 13.9951 'PO43-' + 'H+'  'HPO42-' ; logKeq = 12.3218 'H2PO4-'  'H+' + 'HPO42-' ; logKeq = -7.2054 'NH3' + 'H+'  'NH4+' ; logKeq = 18.0385

15. 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 XN1: Bacterias que oxidan el amonio a nitrito. CαC,XN1/12 HαH,XN1 OαO,XN1/16 NαN,XN1/14 PαP,XN1/31

16. Especies bioquímicas XN2: Bacterias que oxidan el nitrito a nitrato. CαC,XN2/12 HαH,XN2 OαO,XN2/16 NαN,XN2/14 PαP,XN2/31 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)

17. Coeficientes estequiométricos Coeficientes de rendimiento:

18. Coeficientes estequiométricos Coeficientes de rendimiento (cont):

19. Coeficientes estequiométricos DATOS La formulación química de la reacción Aer.GrowthHET(NH4) es, Sss Ss +SNH4NH4 + SH2OH2O +SHPO4HPO4 + SO2O2  SXHXH +SHCO3HCO3 + SHH El cálculo de los coeficientes estequiométricos, SXH = 1 (molXH) SSs=-1/YH,aer(molSs/molXH) SNH4= SXH·αN,XH/14– SSs·αN,Ss/14 (molN/molXH) [BALANCE DE N] SHPO4= SXH·αP,XH/31 – SSs·αP,Ss/31 (molP/molXH) [BALANCE DE P] SHCO3= SSs·αC,Ss/12 – SXH·αC,XH/12(molC/molXH) [BALANCE DE C] SH= 4·SNH4 - SHCO3 + SHPO4 + SSs - SXH (molH/molXH) [BALANCE DE CARGA] SH2O=0.5·SH – SHCO3 – 1.5·SNH4 – 1.5·SHPO4 (molH2O/molXH) [BALANCE DE H] El oxigeno se ajusta, SO2= SSsαO,Ss/32 +0.75SNH4- SXHαO,XH/32 - 0.25SH - SHCO3 - 1.25SHPO4 (molO2/molXH)

20. 1 0.5 conc. K 1 0.5 K conc. Cinética metabólica Constantes cinéticas de 1er orden ( s-1) y las Constantes de inhibición y media saturación (mol/l) del modelo de transporte reactivo, Utilizando una reacción cinética del modelo se obtiene,

21. Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico 3.1 Procesos químicos 3.2 Especies bioquímicas 3.3 Procesos metabólicos 3.4 Coeficientes estequiométricos 3.5 Cinética metabólica • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • Conclusiones

22. Geometría y flujo Q= 20 m3/s Área=100m2 Punto de vertido de Agua residual P.K.vertido=1102,5m Qvertido= 0,3 m3/s h= 2,5 m L = 98000 (m) Q= 20,3 m3/s Área=100m2 Pendiente del río = 1º/ºº

23. 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)

24. Cálculo de los coeficientes estequiométricos

25. Índice DQO: 3.55·10-4 (mol/L) 11.37 (mg/L) Condiciones inicial y de contorno

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. Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico 3.1 Especies bioquímicas 3.2 Procesos químicos 3.3 Coeficientes estequiométricos 3.4 Cinética metabólica • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • 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 (XH, XN1 y XN2) y por tanto provoca una DQO diferente.

37. Sensibilidad resultados qvertido • Variación del caudal de agua residual para diferentes número de habitantes de población.

38. Evolución del oxigeno disuelto

39. Evolución de la materia orgánica

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

41. Sensibilidad por variación de la cantidad de bacterias

42. Evolución del O2 disuelto, Ss y XH • La recuperación de oxigeno, • en función de: • Carga bacterial: Bacterias ΔO2 • Nitrificación de 1er estadio y de 2º estadio

43. Evolución de nutrientes y bacterias nitrificadoras

44. Antecedentes • Objetivos • Modelo Bioquímico 3.1 Especies bioquímicas 3.2 Procesos químicos 3.3 Coeficientes estequiométricos 3.4 Cinética metabólica • Aplicación • Análisis de sensibilidad paramétrica • 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 (QH2O río, Qvertido H2O residual, la composición química de las sustancias orgánicas y las concentraciones de las sustancias en el río y en el agua residual).