Modelos cinéticos
Modelo cinético de Contois El modelo de crecimiento de Contois Ec. 1 da predicciones que concuerdan perfectamente con mediciones experimentales. En algunos casos, se ha demostró que el modelo de Contois brinda una mejor concordancia con datos que otras expresiones de tasa de crecimiento, por lo tanto el comportamiento de biomasa se describirá mejor por las leyes de tasa de crecimiento las cuales están en función de la proporción de sustrato a la biomasa, la cual tiene buenos ajustes cuando hay limitaciones de transferencia de masa, por eso para su aplicación se debe asegurar que el proceso cinético subyacente esté restringido por la disponibilidad área de superficie.
= / +/
(1)
Esta reformulación muestra que a medida que la densidad de población de biomasa, aumenta la tasa de crecimiento de cualquier disminución de microbios en particular, debido a una creciente obstrucción a la absorción del sustrato. En el límite de gran concentración de biomasa, la tasa de crecimiento de Contois se reduce a la Ec. 2.
= /( )
(2)
Para ambas ecuaciones ; la tasa de crecimiento especifico (h-1), ; representa es la tasa de crecimiento máxima específica (h -1), X; la concentración de células (g dm -3), S; la concentración de sustrato sustrato dentro de la reacción (g dm-3).
Modelo cinético de Moser
Moser mejora el modelo de Monod con un parámetro n (usualmente n > 1) para integrar los efectos de adopción de microorganismos a procesos estacionarios por mutación. Para n=1 la velocidad de crecimiento especifico llega a ser igual al modelo de Monod. La ecuación se muestra a continuación (Kythreotou et al ., ., 2014):
= ∗
Modelo cinético de Tessier Los modelos de crecimiento celular parten de un balance energético, pero no toda la energía generada por el consumo del sustrato se utiliza para el crecimiento, y los modelos de crecimiento bacteriano incluyen el término de kd, representado procesos de primer orden que incluyen a respiración endógena, la depredación y la muerte celular, hay dos supuestos importantes en el modelo de proceso, estos son; la unidad de sedimentación que no separa el sustrato y la utilización del sustrato la cual ocurre solo en el reactor, es decir, no hay reacción ni en el reactor ni en la línea de retorno. De estas suposiciones se deduce que, aunque el sustrato se recicla, el reciclaje del sustrato no aparece en la ecuación, esto se debe notar además de los factores limitantes, como problemas de asentamiento o incrustaciones de membrana, son ignorados en el modelo. Se han llevado diferentes
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investigaciones donde se comprueba que existen diferentes modelos que pueden ajustarse a representar los casos de crecimiento de forma no ideal como la variación del caudal de alimentación o reciclado de células en su estado estacionario, tal es el caso del modelo de Tessier Ec. 3.
() = (1 − exp[− ])
(3)
donde Ks;es la constante de Monod (g dm -3), S; la concentración de sustrato dentro de la reacción (g dm-3), ; es la tasa de crecimiento máxima específica (h-1), la tasa de crecimiento especifico (h-1).
;
Modelo cinético complejo ADM1
El modelo de digestión anaeróbica (ADM1) es un modelo estructurado que describe sustratos complejos por sus principales componentes (carbohidratos, lípidos, proteínas, azúcares, aminoácidos, ácidos grasos de cadena larga, ácidos grasos volátiles, aniones y cationes), e incluye múltiples pasos que describen los procesos bioquímicos y fisicoquímicos que se encuentran en el proceso anaeróbico de biodegradación de compuestos orgánicos complejos. En situaciones de sobrecarga en digestores anaeróbicos, el ADM1 se ha utilizado para derivar indicadores que se pueden usar para investigar la relación entre la estabilidad del digestor y las dinámicas de la biomasa; esto es importante porque cuando la metanogénesis no es lo suficientemente rápida debido a alguna perturbación, como la acumulación de ácidos grasos volátiles, puede conducir a una caída del pH y al cese de la producción de metano. La generalidad y relativa facilidad de adaptación del modelo permite incluir fenómenos como la inhibición por fármacos, o considerar la diversidad microbiana de los sistemas físicos o la determinación de indicadores de estabilidad. Una de las ventajas importantes del ADM1 es la capacidad de acoplarse a otros modelos, como el ASM1, para poder realizar la simulación de plantas completas de tratamiento de residuos, donde tienen lugar tanto sistemas de degradación aeróbica como anaeróbica, o simplemente tomar alguna parte de alguno de los modelos para generar un modelo más completo (Rivera-Salvador et al ., 2009).
Modelo cinético complejo ASM
El modelado de lodo activado o modelado ASM representó un hito importante en el modelado de procesos de tratamiento biológico. Los ASM se desarrollaron inicialmente para describir los procesos de lodos activados convencionales (CAS) en las condiciones de funcionamiento típicas correspondientes. Sin embargo, se han utilizado desde finales de los años noventa para simular la cinética de la biomasa en los sistemas MBR (denominado biorreactor de membrana) también, siempre que se realicen algunas adaptaciones necesarias para permitir el comportamiento específico de estos sistemas. 2
Modelos cinéticos
Dado que los MBR abarcan el proceso de lodo activado (ASP) como su proceso fundamental, los ASM se han aplicado para el modelado biológico de los MBR según se informa en diversos estudios. Los ASM son modelos dinámicos robustos que se utilizan ampliamente para la comprensión, el diseño, la optimización y el control del proceso de tratamiento de aguas residuales basado en lodo activado. Existen varias versiones de ASM, y se prefiere una u otra debido a diversos factores, p. el objetivo de modelado, la precisión deseada, el esfuerzo de calibración, la facilidad de uso y la relevancia de los tipos de procesos, etc. Varias versiones de dichos modelos dinámicos a saber. ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 se han desarrollado durante las dos décadas desde la introducción de la primera versión, es decir, ASM1, al asimilar los desarrollos en el proceso de comprensión relacionados con las aguas residuales sistemas de tratamiento. El advenimiento de ASM1 introdujo la forma de matriz de presentación de modelos de Gujer, que asimila todas las descripciones de procesos de una manera condensada y elegante. ASM1 no incorpora el modelado de fósforo biológico aunque el proceso ya se había establecido antes del advenimiento de ASM1. Sin embargo, la mayor parte de la planta en ese momento no incorporó este proceso y solo requirió predicciones de la eliminación de C y N, los requisitos de capacidad de aireación y la producción de lodo. Más tarde, la eliminación biológica de P ganó importancia y, por lo tanto, se incluyó en ASM2. La comprensión de la desnitrificación en los procesos de eliminación de fósforo biológico evolucionó aún más, dando como resultado ASM2d, que incorporó los procesos correspondientes a los PAO desnitrificantes. El ASM2d podría no haber sido considerado muy importante si solo se hubiera seleccionado la remoción de carbono y nitrógeno; sin embargo, el modelo jugó un papel importante en la comprensión de la complejidad de los procesos combinados de eliminación de nitrógeno y fósforo. Su aplicación práctica se vio obstaculizada por la gran cantidad de parámetros en el modelo. Por lo tanto, mientras tanto, ASM1 continuó siendo el modelo de vanguardia para el modelado dinámico en la ingeniería de aguas residuales, a pesar de ciertos defectos que se hicieron evidentes en su aplicación, p. no se incluyeron las limitaciones de nitrógeno y alcalinidad para las bacterias heterotróficas, no se consideraron tasas de descomposición diferenciadas de los nitrificadores en condiciones aeróbicas y anóxicas y no se abordó el almacenamiento intracelular de los PHA. La introducción de ASM3 tuvo como objetivo corregir los defectos de ASM1 y presentó un nuevo estándar para el modelado basado en ASM. El ASM3 original no incorporó eliminación biológica de P (a diferencia de ASM2 o ASM2d), precipitación química, crecimiento de organismos filamentosos o cálculos de pH. Sin embargo, estos procesos se pueden conectar como módulos adicionales. Un ejemplo de esto es el ASM3 extendido para premovimiento biológico. Las descripciones del proceso de procesos anaeróbicos no son parte de ASM1 / ASM3. Su aplicación se limita a ASP (aeróbica) con posible extensión para incluir las condiciones anóxicas y la integración (parcial) del reactor anaeróbico (solo para procesos Bio-P). Para una descripción completa de los procesos anaeróbicos, se utilizan otros modelos, como el modelo de digestión anaeróbica (ADM), que no forman parte de la revisión actual (Fenu et al ., 2009).
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