MEDIOAMBIENTE

Desarrollo de un Programa de Simulación de Procesos para el Tratamiento de Efluentes Líquidos

Development of Simulation Program for Liquid Effluent Treatment

Z.M. Niño, S.A. Pérez y M.J. Llobregat

Univ. de Carabobo, Fac. de Ingeniería, Esc. de Ingeniería Química, Avenida Bolivar N°125-39, Valencia-Venezuela (e-mail: znino@uc.edu.ve)

Resumen

Se presenta el desarrollo de un programa para la simulación de procesos asociados al tratamiento de efluentes líquidos. El programa creado, denominado SIMTELUC, utiliza un enfoque modular secuencial para la administración y control del flujo de la información durante la simulación. Fueron desarrollados los siguientes módulos de cálculo: reactor biológico por lodos activados, filtro percolador, contactor biológico rotatorio o biodisco, sedimentador primario, unidad de floculación-coagulación, secador térmico, unidad de desinfección, adsorción sobre carbón activado, precipitación química, espesador de lodos, filtros, unidad por flotación con aire disuelto (DAF) y API. Los módulos de cálculo desarrollados fueron validados comparando sus resultados con los obtenidos mediante un programa de simulacion comercial, presentando una desviación menor del 4%. A partir de los resultados obtenidos, se concluye que el programa desarrollado cumple con los objetivos propuestos, entregando buenos resultados, pudiendo ser extendido a la simulación de plantas de tratamiento existentes en la industria.

Abstract

The objective of this research was to develop a software for the simulation of wastewater treatment processes. The software developed, named SIMTELUC, uses a modular and sequential approach for the management and control of the information flow during the process simulation. The following simulation units were developed: activated sludge reactor, trickling biofilters, rotary biological contactors, sedimentation basins, coagulation-flocculation basins, thermal dryer, chlorination units, activated carbon adsorption, chemical precipitation, sludge composting, filters, dissolved air flotation (DAF) and API units. These units were validated, comparing their results with those obtained with a commercial simulation program, obtaining a deviation of less than 4%. It was concluded from the results obtained that the program developed meets the proposed objectives and gives good results, and can be extended to the simulation of existing industrial treatment plants.

Keywords: process simulation, wastewater treatment, modular approach, sequential approach

INTRODUCCIÓN

A través de los años ha aumentado progre-sivamente el deterioro que ha venido sufriendo el medio ambiente, afectándose por ésta problemática todos los recursos naturales. El agua es uno de los recursos naturales que no se escapa a esta realidad, siendo proba-blemente el recurso natural más importante del mundo, ya que sin éste ya no podría existir la vida y la industria no funcionaría. Es así como se ha puesto énfasis en frenar tal problemática, y para ello se han tomado medidas concretas, una de ellas es la creación de plantas de tratamiento de los efluentes líquidos para reducir el nivel de contaminación de las aguas industriales a ser desechadas o reutilizadas. Con estos sistemas de trata-miento se pretende reducir al máximo la contaminación y sus efectos, asegurar la protección del medio ambiente y de los seres vivos, y asegurar un desarrollo urbano e industrial sustentable (Winkler, 1999).

Por otra parte, se tiene la necesidad de evaluar y diseñar eficientemente los sistemas de tratamientos de efluentes líquidos, que conjuntamente con la disponibilidad en la actualidad de computadores mas eficientes en el manejo de un gran numero de cálculos, presenta la posibilidad de desarrollar progra-mas de simulación de procesos, por lo que este tipo de trabajos son hoy día de gran importancia dentro de las áreas de investi-gación de las universidades, ya que a través de ello se dispone de una herramienta rápida y confiable para el estudio y optimización de procesos en diferentes áreas de la industria (Petrides et al., 2002).

El uso de herramientas dirigidas al Diseño de Procesos Asistido por el Computador (DPAC) han venido siendo utilizadas con éxito desde el principio de los años 60, con aplicaciones específicas en la industria química y petroquímica en el diseño y optimización de procesos integrados. Estos beneficios son igualmente extensibles en aplicaciones para procesos dirigidos al tratamiento de emisiones atmosféricas, de efluentes líquidos, industria farmacéutica, etc. (Petrides et al., 1994)

En la actualidad se disponen de una gran cantidad de programas comerciales para la simulación de procesos dirigidos a la industria química y petroquímica, tales como HYSYS (Hyprotech, Ltd/AEA Engineering Software), ChemCad (Chemstations, Inc.), Aspen Plus (Aspen Technology, Inc.), etc., sólo por mencionar algunos (Rouf et al., 2001). Sin embar-go, esta lista resulta limitada en el caso de programas de simulación para procesos no convencionales, como es el caso de procesos para el tratamiento de efluentes líquidos.

En tal sentido, en la Unidad de Investigación en Ingeniería de Procesos de la Universidad de Carabobo se ha iniciado como proyecto el desarrollo de un programa de simulación con la finalidad de simular los sistemas de trata-miento de efluentes líquidos bajo un enfoque modular secuencial con una estructura accesi-ble a los usuarios y adaptable a sus necesi-dades, dejándo la posibilidad de incorporar nuevas unidades de cálculo, a la vez que permita a la universidad utilizarlo con fines docentes en la enseñanza de los cursos de Simulación de Procesos, Diseño de Procesos y Tratamiento de Efluentes Líquidos.

METODOLOGÍA

Para el cumplimiento de los objetivos planteados y que sustentan el desarrollo del presente trabajo, se consideraron las siguientes etapas:

1.- Creación de la plataforma básica del programa para leer, manejar y almacenar la información. Para ello se modificó la estructura presentada por Niño y Pérez (1993) a fin de incorporar una interfaz gráfica de lectura de datos y de presentación de resultados, la incorporación de una base de datos de propiedades físicas y el establecimiento de los parámetros que caracterizan a una corriente asociada a procesos utilizados en el tratamiento de efluentes líquidos, así como los parámetros asociados a los módulos de cálculo a incorporar como parte de la librería de módulos del programa.

2.- Creación de los módulos de cálculo que representan cada una de las unidades opera-cionales necesarias para el tratamiento de los efluentes líquidos, para lo cual es necesario: la formulación de los modelos matemáticos que describen el funcionamiento de cada uno de los módulos de cálculo y que permiten calcular las nuevas características de las corrientes de salida de cada unidad del proceso, la programación en lenguaje Fortran 90/95 (Chapman, 1998) de los módulos de cálculo y su incorporación al programa principal de simulación, y finalmente la creación de una interfaz gráfica en lenguaje Visual Basic 6.0 (Microsoft Corporation, 1998), con el objetivo de facilitar la comunicación entre el programa de simulación y la unidad de cálculo creada.

3.- Una vez desarrollado el programa de simulación se realiza la validación del correcto flujo de la información entre el programa principal y los diferentes módulos de cálculo, igualmente se hace la validación de los cálculos de cada módulo realizando un estudio comparativo respecto a los resultados obtenidos mediante el programa comercial SuperPro Designer 4.7. (Intelligen, Inc., 2001)

ESTRUCTURA DEL PROGRAMA CREADO

El programa SIMTELUC (SIMulador de Trata-miento de Efluentes Líquidos, Universidad de Carabobo) tiene como objetivo el manejo y almacenamiento de la información pertinente a la simulación de un proceso, y para ello re-quiere de una serie de arreglos matriciales y vectoriales, entre los cuales destacan los asociados al manejo de las corrientes de procesos, parámetros de los módulos de cálculo, secuencia de cálculo, etc. En el trabajo de Pérez et al.,(2003) se indica de forma detallada las características de los arreglos mas importantes utilizados por el programa SIMTELUC.

Subprogramas auxiliares

El programa principal SIMTELUC permite la realización de una simulación mediante la utilización del conjunto de variables asociadas a la simulación dentro de un bloque común de información (COMMON) accesibles a los diversos subprogramas auxiliares. El programa SIMTELUC llama sucesivamente cuatro sub-programas auxiliares, los cuales son:

DLOAD1: Subprograma que tiene como obje-tivo leer los datos numéricos a partir del archivo DATOS y transferirlos a los arreglos apropiados, asignándolos a las variables defi-nidas en el bloque de enunciados COMMON.

STREAM: Este subprograma se ocupa de identificar las corrientes de entrada y salida de una unidad de cálculo y de la transferencia de información desde la matriz principal de co-rrientes SN a los bloques temporales de matrices de corrientes SI y SO. La Tabla 1 presenta las características asociadas a una corriente de proceso del programa SIMTE-LUC.

Tabla 1: Características de las corrientes dentro del Programa SIMTELUC

DISKIO: Esta subrutina tiene como función escribir las listas de parámetros de los diferenes vectores EN y ubicarlos en el vector principal ENN, de donde son llamados y leídos cuando éstos sean necesarios para el cálculo de una unidad específica. La Tabla 2 contiene los parámetros fundamentales de un módulo de cálculo del programa SIMTELUC.

Tabla 2: Lista de parámetros de una unidad de cálculo en el programa SIMTELUC

MODULE: El subprograma MODULE tiene como función llamar a la subrutina correspondiente a la unidad de cálculo en ejecución, de acuerdo con la secuencia de cálculo pre-establecida por el usuario antes del inicio de la simulación del proceso.

Base de datos de propiedades físicas

El programa SIMTELUC dispone de una base de datos de propiedades físicas de los compuestos, conformada por 1443 especies. Esta base de datos suministra la información básica para la estimación de las distintas propiedades físicas requeridas en los distintos módulos de cálculo, por medio de dos subrutinas, PROCAL y PROMIX, son utilizadas en el cálculo de las propiedades físicas de los compuestos puros y de mezclas, respectivamente.

Lógica de ejecución del programa

El simulador desarrollado esta fundamentado en dos programas principales y descritos a continuación:

SIMTELUCVB.exe: Programa ejecutable que se corresponde con la interfaz gráfica del pro-grama de simulación SIMTELUC, desarrollada en Visual Basic 6.0 (Microsoft Corporation, 1998). Esta interfaz permite la introducción de los datos fácilmente por parte del usuario, así también le permite acceder a los resultados finales de la simulación. Igualmente a través de ella se permite al usuario acceso a la base de datos de propiedades físicas, así como a una serie de contenidos teóricos acerca del tratamiento de efluentes líquidos, fundamentos básicos sobre la simulación de un proceso y sobre los modelos asociados a los módulos de cálculo existentes.

SIMTELUCFOR.exe: Programa ejecutable de-sarrollado en Fortran 90/95, es el programa que utiliza SIMTELUC para realizar los cálculos de la simulación del proceso en base a los datos introducidos a través de la interfaz grá-fica. Una vez iniciada la ejecución de la simulación, este programa lee el archivo de datos generado por medio de la interfaz gráfica, realiza los cálculos asociados a la simulación y genera el archivo de resultados correspondiente.

Estos dos programas comparten archivos para la comunicación entre ellos dentro del programa de simulación SIMTELUC. Específicamente, el archivo DATOS.TXT, el cual tiene una estructura preestablecida y contiene todos los datos necesarios para la simulación, tales como: secuencia de cálculo, corrientes de alimentación al proceso, estimados iniciales para corrientes en caso de procesos con recirculación, parámetros de las unidades de cálculo, parámetros para el control de la impresión de resultados. Adicionalmente se genera el archivo SIMULA.TXT, donde se almacenan los resultados de la simulación.

MÓDULOS DE CÁLCULO DISPONIBLES

Como parte del programa se han desarrollado los siguientes módulos de cálculo:

Reactor biológico por lodos activados
Filtro percolador
Contactor biológico rotatorio o biodisco
Sedimentador primario
Unidad de floculación-coagulación
Secador térmico
Unidad de desinfección
Unidad de precipitación química
Espesador de lodos
Filtros Unidad por flotación con aire disuelto (DAF)
API

Reactor biológico por lodos activados (Castro y Díaz, 2001). El objetivo de esta unidad es la reducción o eliminación de la materia orgánica presente en los efluentes líquidos, sean indus-triales o municipales. Fundamentalmente el usuario debe suministrar los parámetros cinéticos para la biodegradación del sustrato, el volumen del reactor, tiempo de retención hidráulico, concentración de microorganismos en el reactor y en la recirculación de lodos.

Filtro percolador (Castro y Díaz, 2001). Esta unidad igualmente permite la biodegradación de la materia orgánica presente en un efluente líquido, considerando el efecto de la temperatura para la evaluación de la constante de degradación del efluente. Esta unidad solo contempla rellenos de material plástico. Con relación a los datos requeridos, es necesario conocer la profundidad y diámetro del filtro, carga hidráulica y temperatura ambiente.

Contactor biológico rotatorio ó Biodisco (Castro y Díaz, 2001). Para la simulación de esta unidad, el modelo toma en cuanta el área total de contacto de los biodiscos, sin considerar el número de etapas de tratamiento. Los datos requeridos para su definición son los párame-tros cinéticos para la biodegradación, área superficial total de contacto y temperatura ambiente.

Sedimentador primario (Aponte y Gutiérrez, 2003). Esta unidad tiene como objetivo la eliminación de arenas, materia en suspensión, grasas y aceites u otras materias flotantes presentes en el efluente a tratar. Para la simulación de esta unidad se establecen como parámetros la eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, altura útil, tiempo de retención y tipo de sección transversal del tanque. Los resultados obtenidos de la simulación son el volumen de lodos y cantidad de sólidos suspendidos removidos.

Unidad de coagulación-floculación (Aponte y Gutiérrez, 2003). Esta unidad es utilizada para la remoción de turbiedad orgánica o inorgánica que no puede sedimentar rápidamente, o remoción de color verdadero y aparente, y eliminación de sustancias productoras de sabor y olor. El proceso se divide en dos etapas, una de mezcla rápida la cual comienza con la adición de un coagulante y una segúnda de mezcla lenta. Esta unidad determina a partir de datos experimentales de pruebas de jarra la dosis de coagulante, porcentaje de remoción de DBO y sólidos suspendidos totales.

Secador térmico (Aponte y Gutiérrez, 2003). Esta unidad permite la simulación de la deshidratación de lodos en forma continua, eliminando altos porcentajes de humedad. Utiliza como agente de secado gas caliente en con-tracorriente. Los parámetros a definir son la temperatura y composición del gas de secado, porcentaje de calor perdido al ambiente, diá-metro de partículas sólidas, densidad y capacidad calorífica del lodo.

Unidad de desinfección (Cornejo y Trinidad, 2001). Esta unidad permite determinar la dosis de hipoclorito necesaria para alcanzar una concentración residual, la cual evita la proliferación de microorganismos presentes en el agua, basándose en las ecuaciones de ionización del hipoclorito. El usuario debe definir la concentración de microorganismos en el efluente a tratar y de nitrógeno amoniacal.

Unidad de precipitación química (Cornejo y Trinidad, 2001). Esta unidad tiene como propósito la eliminación de ciertos contaminantes disueltos presentes en el efluente como fós-foro, hierro ó cromo a partir de la adición de coagulantes. Esta determinación se realiza en base a los balances estequiométricos de masas de las reacciones presentes. El usuario debe definir las concentraciones iniciales de los sólidos disueltos a remover, alcalinidad y dosis de coagulante.

Espesador de lodos (Cordero y Labastidas, 2002). La unidad de espesamiento permite simular la concentración de lodos presentes en un efluente industrial, considerando tres mecanismos de espesamiento: por gravedad, centrifugo de tipo cesta y centrifugo de tipo tornillo. Se debe indicar el tipo de lodo, el grado de espesamiento, diámetro y altura útil del tanque y la pendiente de la solera. En el caso de los espesadores centrífugos se define el tipo de lodo y concentración de lodos requerida.

Filtros (Cordero y Labastidas, 2002). Con esta unidad de cálculo se simula el proceso de deshidratación y compostaje de lodos a través de tres modelos diferentes: filtro de vacío, filtro de placas y filtro de banda. Para el filtro de vacío se define el porcentaje de remoción de sólidos, tiempo de secado, porcentaje de sumergencia y carga superficial al filtro. En el filtro de placas se establecen el número de placas, el ancho, la profundidad y el espesor del marco.

Unidad por flotación con aire disuelto (DAF) (Cabrera, 2002). Con esta unidad se tiene como objetivo simular la eliminación de partí-culas presentes en el efluente a partir de la creación de floculos que ascienden hacia la superficie del agua. Se debe definir el tipo de tanque de presurización, tiempo de residencia en el tanque de presurización, porcentaje de sólidos en el efluente, tiempo de residencia en el tanque de flotación y caudal de reciclo.

API (Cabrera, 2002). Unidad de cálculo para la separación de grasas, sustancias no polares y no miscibles y partículas flotantes separables por gravedad. Se requiere definir la profundidad del agua en el tanque API, núme-ro, diámetro y filas de orificios.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Con el objetivo de mostrar la utilización del programa de simulación SIMTELUC, se realiza la simulación con dos de los módulos desarrollados, considerando en un primer caso el uso de la modalidad de diseño del programa, y luego un segundo caso donde se utiliza bajo el modo de simulación.

Diseño de un sedimentador primario

Para la validación de esta unidad se utiliza un caso de estudio propuesto por Rivas (1978), donde se procesan 200 L/s de un efluente con una concentración de 220 mg/L de sólidos suspendidos. La unidad de sedimentación es del tipo circular con una eficiencia de remoción del 80%. El tanque sedimentador tiene una altura útil de 3.6 m y se considera para el proceso un tiempo de residencia de 120 min.

Simulación de un reactor biológico

Para la validación del reactor biológico, se utiliza un caso de estudio proveniente de Ramalho (1977) donde se trata un efluente con una concentración en DBO soluble de 893 mg/L, concentración de DBO no biodegradable de 10 mg/L, sólidos suspendidos volátiles de 2647 mg/L, y de sólidos suspendidos no volátiles de 2 mg/L. Se alimentan 83.38 L/s del efluente a una temperatura de 20 ^oC, pH de 8. El efluente contiene 85 mg/L de nitrógeno, 3 mg/L de fósforo y una alcalinidad de 90 mg/L como carbonato de calcio. El reactor tiene una capacidad de 4560 m³. Las diferentes constantes cinéticas para la biodegradación, son presentadas en la Tabla 3.

Tabla 3: Parámetros cinéticos para el caso de estudio con el reactor biológico

Para el primer caso propuesto, donde se considera la modalidad de diseño para una unidad de sedimentación, y a los fines de la validación del programa, se presentan los resultados obtenidos a partir del programa de simulación SIMTELUC y Super Pro Designer 4.7. Los resultados reportados para la opción diseño del equipo corresponden entonces con las dimensiones fundamentales del sedimentador, tales como el volumen, área superficial y diámetro del cilindro. Los resultados obtenidos a partir de los dos programas son mostrados en la Tabla 4. Del estudio comparativo de estos resultados cabe indicar que los valores obtenidos por ambos programas presentan muy poca diferencia, presentando una desviación media para los parámetros de diseño calculados inferior al 2%.

Tabla 4: Resultados del diseño para el sedimentador primario

En relación al segundo caso, donde se considera la simulación de un reactor biológico por lodos activados. Bajo este modo de operación el usuario establece las dimensiones del reactor, características de la alimentación y parámetros cinéticos para la biodegradación, y se requiere determinar el porcentaje de remoción de la materia orgánica, lodos generados, así como otros valores asociados a la operación del reactor. Los resultados obtenidos tanto por el programa creado como por el simulador comercial, así como la desviación relativa son presentados en la Tabla 5. Estos resultados indican nuevamente que los valores calculados por los dos programas de simulación son similares, observándose en general, desviaciones inferiores al 4%.

De los resultados obtenidos a partir de los dos casos de estudio presentados como parte de este trabajo, se observa que los módulos de cálculos evaluados arrojan resultados aceptables, toda vez que son comparables en magnitud a los generados por medio de un simulador comercial. Como parte de las actividades ligadas al desarrollo del programa SIMTELUC, el resto de los módulos desarrollados fueron también validados bajo diferentes condiciones de operación, observándose en general una buena precisión en los cálculos realizados.

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos, de su análisis y de su discusión, tanto para el diseño y la simulación de unidades de cálculo, se pueden obtener las siguientes conclusiones en rela-ción al programa creado: 1) El programa se desarolló bajo una estructura modular secuencial lo que permite su utilización con fines académicos ya que su estructura interna y el flujo de la información durante una simulación son bien conocidos. 2) El programa permite la simulación de procesos con una desviación en los resultados menor del 4% en comparación con los obtenidos mediante un programa de simulación comercial, lo que abre la posibi-lidad de utilizarlo igualmente para simular plantas de tratamiento existentes en la industria. 3) La disponibilidad de una estructura conocida para el programa permitirá ampliar la librería de módulos de cálculo del mismo, y así aumentar su capacidad de cálculo y la posibilidad de usarlo en otras áreas.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad de Carabobo, Venezuela por su apoyo para la realización y publicación de este trabajo.

REFERENCIAS

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