THEME 2: Existing challenges experienced during provision of PHC services

La calibración se puede definir, como la adaptación de un modelo para describir cierta cantidad de información obtenida de la PTAR bajo estudio. Esta etapa consume mucho tiempo y casi siempre el tiempo necesario para la calibración del modelo, es sobreestimado (Petersen et al., 2002).

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Desde la publicación del Modelo ASM1 (Henze et al., 1987), no se ha definido todavía un procedimiento completo para su calibración. Los reportes de la literatura, así lo muestran (Petersen et al., 2002; Hulsbeek et al., 2002; WERF, 2003; Langergraber et al., 2004; Gürkan et al., 2005).

La parte importante para lograr el propósito del modelo, radica en qué tanto se aproxima a la calibración, de ahí que en forma generalizada esto se hace difícil (Henze et al., 1995). El objetivo no es alcanzar un ajuste perfecto, sino lograr que el modelo tenga capacidad de predicción dentro de un rango útil de aplicación.

Considerando lo anterior, a continuación se presenta la información necesaria para calibrar el modelo. Esto fue tomado de diferentes procedimientos y se seleccionaron los siguientes: Henze et al., 1987; Lesouef et al., 1992; Pedersen y Sinkjaer, 1992; Siegrist y Tschui, 1992; Stokes et al., 1993; De la Sota et al., 1994; Dupont y Sinkjaer, 1994; Weijers et al., 1996; Xu y Hultman, 1996; Kristensen et al., 1998:

1) Datos de diseño: diseño del reactor, flujos en bombas y capacidad de aireación. 2) Datos de operación: flujos promedios de influente, efluente, recirculación y purgas, pH, OD y T.

3) Caracterización del modelo hidráulico: pruebas de trazador.

4) Caracterización del modelo de sedimentación: velocidad de sedimentación a diferentes concentraciones de lodo.

5) Caracterización para el modelo biológico: caracterización del influente y efluente (también corrientes intermedias dentro de las unidades de proceso de la PTAR); composición del lodo (SS, SSV, DQO, N y P); reacciones cinéticas (obtención de μH

y bH); reacciones estequiométricas (obtención de YH).

La calidad y cantidad de información requerida, depende mucho del propósito del modelo y su calibración. En caso de que el modelo sea usado con propósitos educacionales, se pueden aplicar los parámetros cinéticos y estequiométricos dados por “defecto” (Henze et al., 1987). Sin embargo, si la modelación va ser utilizada

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para evaluación y optimización, es necesario tener una descripción más exacta del proceso bajo estudio, es decir se requiere calibrar el modelo.

En la presente década, se han propuesto varios protocolos de calibración para el modelo ASM1, entre los que destacan, Petersen et al. (2002), Hulsbeek et al. (2002), Vanrolleghem et al. (2003), WERF (2003) y Langergraber et al. (2004), los cuales se resumen a continuación:

Protocolo de Petersen et al. (2002)

Petersen et al. (2002), presentaron un procedimiento sistemático de calibración para el modelo ASM1, evaluando una planta de tratamiento con alimentación combinada de agua residual (municipal-industrial).

En este modelo, la información necesaria para la caracterización biológica del modelo, se puede hacer bajo tres recursos (Petersen et al., 2002):

a) Valores por “defecto” de la literatura.

b) Datos de la PTAR a gran escala (promedio de datos de muestras simples, compuestas o proporcionales al flujo; balances de materia; datos en línea; mediciones en reactores para caracterizar el proceso dinámico).

c) Información obtenida de pruebas experimentales en laboratorio (agua residual y lodos).

La estructura del procedimiento es el siguiente:

TOMA DE DECISIONES SOBRE INFORMACIÓN NECESARIA (1-5) Y NIVELES DE CALIBRACIÓN (6-10)

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En general, con la calibración del modelo en régimen estacionario, se pueden determinar solamente los parámetros que afectan el comportamiento de la planta de tratamiento (YH, fp, bH XI).

La calibración en régimen estacionario es muy usada para: 1) La determinación de las condiciones iniciales de las variables de estado previo a la calibración dinámica del modelo y 2) para el inicio de una primera estimación.

Lo importante de la calibración del modelo basado en datos dinámicos, es obtener una estimación segura de las tasas máximas de crecimiento específico (μmáxH y

μmáxA).

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Este procedimiento de calibración llamado también Modelo de STOWA, fue desarrollado por la Fundación Holandesa de Investigación Aplicada en Agua y fue resultado de la experiencia acumulada en la calibración de más de 100 PTAR. La estructura del protocolo es el siguiente:

Como se muestra en el siguiente diagrama, el protocolo debe usar la siguiente secuencia para la fase de calibración: 1) Calibrar la producción y composición de lodo en el reactor (XS influente, XI, iNX, iNI; 2) Calibrar la concentración de amonio en

el efluente (nitrificación), KO2, kNH4+, bA; y 3) Calibrar la concentración del ión nitrato

en el efluente (denitrificación), ηNO3-, bH, KNO3-, KOH-.

VI CALIBRACIÓN

V CARACTERIZACIÓN DE FLUJOS IV ESTRUCTURA DEL MODELO

VII CARACTERIZACIÓN DETALLADA

VIII VALIDACIÓN

I FORMULACIÓN DE OBJETIVOS

II DESCRIPCIÓN DE PROCESOS

III COLECCIÓN Y VERIFICACIÓN DE DATOS

50 Protocolo de Vanrolleghem et al. (2003)

Este protocolo de calibración fue desarrollado por el grupo BIOMATH por Vanrolleghem y otros (Petersen et al., 2002; Petersen et al., 2003 y Vanrolleghem et al., 2003). La siguiente estructura ilustra el procedimiento (Gürkan et al., 2005):

CALIBRACIÓN

Orden de etapas Variable a predecir Parámetros a ajustar 1. Producción de lodo - Concentración de lodo

- Edad del lodo - Producción de lodo - Concentración N en lodo

- Control del excedente del flujo de lodos.

- XS/XI

- IXB, IXP

2. Nitrificación - Concentración de oxígeno - Alcalinidad - Concentración de NH4+ - Cambio de la capacidad de oxigenación. - Cambio de la alcalinidad en el influente. - KO2, KNH4 + , bA 3. Desnitrificación - Conc. NO3- en efluente vs

conc. en retorno de lodos. - Flexibilidad en el sistema de aireación. - Conc. NO3- en efluente. -Implementación de tanque desnitrificador en línea de retorno de lodos.

- Ajuste del sistema. - ηNO3 - , bH, KO2, KNO3 - , KOH -

4. Flujos internos - Concentración NH4+

- Concentración NO3-

- KO2, KNH4

+

- ηNO3

-

Si durante la calibración son necesarios grandes ajustes en coeficientes cinéticos (valores fuera de rango), entonces quiere decir que los límites del modelo no están bien definidos. En este caso hay que volver a replantear la descripción del protocolo y volver a validar los datos del proceso.

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El modelo completo de la PTAR bajo estudio es seccionado en tres partes: 1) El modelo de transferencia de masa (hidráulico y transferencia de oxígeno), 2) el modelo de sedimentación y 3) el modelo biológico. Cada sub-modelo se calibra por separado y luego se incorporan al modelo completo, para desarrollar la calibración en estado estable, cuya finalidad es obtener un buen ajuste en la producción de lodo y consumo de oxígeno.

Los parámetros sujetos a ser calibrados son determinantes para el análisis de sensibilidad; estos parámetros tienen efecto en la producción de lodos, por ejemplo, XI, bH, YH, fXi. En caso de requerirse una calibración de alto nivel, los datos

12) EVALUACIÓN

11) VALORACIÓN DEL

MODELO

10) CALIBRACIÓN DINÁMICA