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Informations
Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 49 |
Langue | Español |
Poids de l'ouvrage | 1 Mo |
Extrait
THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par INP TOULOUSE
Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et de l'environnement
Présentée et soutenue par ZARRAGOITIA-GONZALEZ Alain
Le 27 Mars 2009
Titre : Développement de modèles dynamiques pour la simulation et l'optimisation de
bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement d'eaux usées.
JURY
WILHELM Anne Marie(Professeur d'Université)
URRUTIGOITY Martine(Maitre de conférences)
RODRIGUEZ Ivonne (Directeur de recherches)
MORON-ALVAREZ Carlos (Professeur d'Université)
LOPEZ-TORREZ Matilde (directeur de recherches)
CARILLO-LEROUX Galo (Professeur d'Université)
ALBASI Claire(Chargée de recherche) , JAUREGUI-HAZA Ulises(Professeur d'Université)
Ecole doctorale : Mécanique Energétique Génie Civil Procédés (MEGeP)
Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique
Directeur(s) de Thèse : ALBASI Claire , JAUREGUI-HAZA Ulises
Rapporteurs : LOPEZ-TORREZ Matilde, CARILLO-LEROUX Galo
CENTRO DE QUIMICA FARMACÉUTICA.
DEPARTAMENTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO.
INSTITUTO NACIONAL POLITECNICO DE TOULOUSE-ESCUELA NACIONAL
SUPERIOR DE INGENIEROS EN ARTES QUIMICAS Y TECNOLOGICAS.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS.
DESARROLLO DE MODELOS DINAMICOS PARA LA SIMULACION
Y OPTIMIZACION DE BIORREACTORES CON MEMBRANA
SUMERGIDA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.
Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas.
ALAIN ZARRAGOITIA GONZALEZ
Ciudad de La Habana, Cuba – Toulouse, Francia
2009 CENTRO DE QUIMICA FARMACÉUTICA.
DEPARTAMENTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO.
INSTITUTO NACIONAL POLITECNICO DE TOULOUSE-ESCUELA NACIONAL
SUPERIOR DE INGENIEROS EN ARTES QUIMICAS Y TECNOLOGICAS.
LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS.
DESARROLLO DE MODELOS DINAMICOS PARA LA SIMULACION
Y OPTIMIZACION DE BIORREACTORES CON MEMBRANA
SUMERGIDA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.
Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas.
Autor: M. Sc. Ing. Alain Zarragoitia González
Tutores: Dr. Ing. Claire Albasi
Dr. Ing. Ulises Jáuregui Haza
Ciudad de La Habana, Cuba – Toulouse, Francia
2009
Dedicatoria
A mi Familia
A todos mis amigos cubanos y extranjeros
A mi país que siempre me acompaña cuando estoy lejos…
Nunca te impongas metas pues estas limitan al hombre
Proponte mejor horizontes que nunca tienen fin…
No intentes llevar la realidad a tus modelos, si un modelo es muy
realista, no puede ser matemáticamente manejable, siempre habrá
una situación de compromiso entre lo manejable que sea para
resolverlo y su aproximación a la realidad…
Apotegma de la modelación
Síntesis i-1
En la presente tesis se reflejan los estudios realizados en un biorreactor con membrana
sumergida, tecnología que se utiliza para el tratamiento de efluentes residuales. Se presentan
de forma detallada la modelación de este proceso, la validación de los modelos desarrollados,
así como los resultados de la simulación y optimización realizados con los modelos.
Entre los nuevos aportes al conocimiento científico del trabajo se encuentran los siguientes:
- Un nuevo modelo dinámico que integra por primera vez, para estos sistemas, muchas de las
variables y los principales fenómenos que ocurren durante el proceso de filtración y
tratamiento de las aguas residuales utilizando los BMS. Lo cual constituye un aporte
novedoso para el análisis y desarrollo de esta tecnología.
- Se logró por primera vez cuantificar mediante simulación la influencia y el efecto de la
aireación sobre el proceso de colmatación de las membranas, así como la influencia de la
sincronización de los ciclos de filtración y aireación de burbujas gruesas. Todo esto tomando
en cuenta el comportamiento de la biomasa, la generación de sustancias colmatantes y las
características de la alimentación. Se validaron los resultados que ofrece el modelo mediante
la comparación con resultados experimentales.
- Se reporta por primera vez la optimización de las condiciones operacionales de un sistema
BMS utilizando el diseño de experimento para la simulación, partiendo de los resultados
obtenidos utilizando los modelos desarrollados.
Tabla de Contenidos i-2
INDICE
Pág.
INTRODUCCIÓN. 1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 5
1.1 Procesos de tratamientos de aguas residuales basados en lodos activados. 6
1.2 Biorreactores con membrana. 7
1.3 Características generales de las membranas para los BM. 10
1.4 Aspectos generales de los esquemas de filtración utilizados en los BM. 12
1.5 Factores que influyen en el proceso de colmatación de la membrana. 14
1.6 Influencia de las sustancias poliméricas extracelulares (SPE), los productos
microbianos solubles (PMS) y otras sustancias en el proceso de colmatación. 16
1.7 Modelación matemática de los sistemas BM. 18
1.7.1 Modelo de resistencias en serie. 19
1.7.2 Modelos de transferencia de masa. 21
1.7.3 Modelos de polarización por concentración. 22
1.7.4 Modelos empíricos. 24
1.7.5 Modelos dinámicos para la estimación de pérdida de caudal. 26
1.8 Consideraciones generales de la revisión bibliográfica. 30
2. MATERIALES Y MÉTODOS. 32
2.1 Instalación experimental. 33
2.2 Condiciones de operación. 34
2.3 Métodos analíticos. 35
2.4 Concentración de sólidos suspendidos totales. 35
2.5 Granulometría del lodo activado. 35
2.6 Estimación de la resistencia específica. 36
2.7 Medición de la Demanda Química de Oxígeno (DQO). 37
2.8 Determinación de las sustancias poliméricas extracelulares (SPE). 37
2.9 Extracción de las SPE de las muestras del lodo. 37
2.10 Polisacáridos. 38
2.11 Proteínas y húmicos. 38
2.12 Composición del residual de entrada. 40
2.13 Estimación del coeficiente global de transferencia de oxígeno (K a). 41L
Tabla de Contenidos i-3
2.14 – Estimación del coeficiente de rendimiento heterótrofo (Y ). 42 H
2.15 Calidad de los reactivos utilizados. 43
2.16 Ecuaciones matemáticas y estadísticas. 43
2.16.1 Porcentaje de error relativo medio. 43
2.16.2 Suma de residuos al cuadrado. 44
2.16.3 Sensibilidad. 44
2.16.4 Deseabilidad. 44
3. MODELACIÓN MATEMÁTICA. 46
3.1 La modelación dinámica de los lodos activados y formulación de nuestros
objetivos de la modelación. 47
3.1.1 Descripción de los procesos a modelar. 48
3.1.2 Estructura del modelo. 49
3.1.3 Componentes, procesos y rutas metabólicas consideradas en el
modelo de lodos activados. 50
3.1.4 Modelación del sistema biológico. 52
3.1.5 Modelación de los