Modelo dinámico de un reactor biológico de tres fases Público Deposited
En este trabajo se desarrolla un modelo matemático para describir el comportamiento hidrodinámica de un reactor biológico de aire ascendente usado en la eliminación de compuestos orgánicos en aguas de desecho industrial. El modelo propuesto involucra a tres especies que son: oxígeno, sustrato y microorganismos. Las ecuxiones de conservación de las tres especies se plantean para tres fases: gaseosa, líquida y sólida (biopelícula). El modelo que resulta de los balances de las especies permite hacer un estudio del efecto que tiene la transferencia de oxígeno en la fase gas y líquida. El modelo matemático describe a la fase gas con un régimen de flujo de tipo pistón, es decir, que existen gradientes en la concentración de oxígeno en dirección axial. La fase líquida considera homogeneidad en cualquier punto del reactor biológico, es decir, se considera el comportamiento de un reactor continuo perfectamente mezclado. La fase sólida que involucra a la biopelícula se considera como un catalizador externamente depositado, no existe difusión dentro del espesor biológicamente activo. El modelo matemático que resulta de los balances de materia de las especies involucradas consiste un sistema de ecuaciones diferenciales parciales de tipo hiperbólico. Este sistema de ecuaciones se encuentra acoplado mediante los términos de transferencia de masa interfacial en las tres fases. Para resolver las ecuaciones se utilizaron tres técnicas numéricas: método de las características, colocación ortogonal utilizando 6 y 12 puntos interiores y uno de los métodos implícitos de Runge-Kutta de cuarto orden. El estudio en la hidrodinámica que se realizó determina que no existen efectos en el crecimiento celular y en la eliminación de sustrato cuando se aumenta la velocidad del gas a la entrada 2 En este trabajo se hace también, un análisis del comportamiento dinámico del reactor biológico; esto se realiza introduciendo perturbaciones o cambios repentinos en la concentración de sustrato a la entrada y cambios en el tiempo de residencia al sistema en forma de escalones. Se hace también, una comparación del aumento en la concentración de biomasa cuando se utilizan diferentes términos de inhibición y limitación de oxígeno, sustrato y biomasa en la ecuación que representa la cinética de crecimiento. El análisis de los resultados obtenidos sugieren básicamente lo siguiente: - La resistencia que domina el proceso es la transferencia de masa interfacial gas-líquido. - La transferencia de oxígeno juega un papel importante en el proceso ya que la cantidad presente de esta especie limita el crecimiento microbiano y con esto la eficiencia del proceso. - El sistema es dinámicamente est3ble, ya que variaciones en las condiciones de operación fueron amortiguadas stisfactoriamente por el biorreactor. I - LOS resultados numéricos obtenidos a partir de las simulaciones representan cualitativamente los resultados experimentales obtenidos por Chávez-Rivera (1 994). - La hidrodinámica del sistema no juega un papel importante en la eficiencia del proceso La biopelícula presenta tres resistencias a la transferencia de masa, en la interfase líquidobiopelícula, difusión interna y biorreacción. Al considerar un catalizador externamente depositado se redujeron las tres resistencias a una sola. Un trabajo interesante consistiría en realizar un estudio de la hidrodinámica del sistema acoplado con los fenómenos de transporte tanto internos como externos en la biopelícula.Este trabajo consiste de cinco capítulos y dos apéndices. La parte central de este trabajo esta contenida en los últimos tres capítulos. Todas las unidades empleadas son consistentes con el Sistema Internacional de Unidades (SI). El Capitulo 1 es la introducción de este trabajo. En el se incluye una breve descripción de la importancia del agua en los seres vivos, las principales causas de 'su contaminación y los métodos utilizados para su tratamiento. Se hace también la descripción del problema que motiva la realización de este trabajo, así como de los objetivos que se pretenden alcanzar. En el Capitulo 2 se establece todo el marco teórico necesario para la realización del trabajo. El capitulo comienza con una descripción de los sistemas utilizados para remover compuestos orgánicos de corrientes líquidas, la formación de películas biológicas y el metabolismo microbiano. Este capitulo finaliza con un resumen de la trasferencia de masa interfacial y de las correlaciones mas utilizadas para evaluar los coeficientes de transferencia interfacial. El Capitulo 3 presenta la descripción del sistema utilizado para la construcción del modelo. Posteriormente se muestran los diferentes modelos cinéticos de crecimiento, los factores que alteran el crecimiento e inhibición. El capitulo termina con el modelo que describe el sistema utilizado. En el Capitulo 4 se presentan los resultados numéricos ,de la solución del modelo. Se muestran los perfiles axiales de concentración de oxigeno, sustrato y crecimiento microbian0 utilizando 6 y 12 puntos interiores de colocación para tiempos de residencia de 1, 2 y 5 horas. Los resultados son discutidos realizando comparaciones en cuanto al número de puntos de colocación utilizados y tiempos de residencia empleados.El Capitulo 5 muestra los perfiles de concentraciones de las especies como función del tiempo. Los resultados mostrados en este capitulo son una representación de la concentración a la salida del reactor. Se hace también, un análisis del comportamiento del sistema modelado cuando se aplican diferentes cambios en los parámetros de transporte y condiciones de operación. Se realiza un anhlisis de la respuesta dinámica del sistema cuando se implementan cambios repentinos en la concentración de sustrato a la entrada del reactor. La finalidad es observar el comportamiento y la estabilidad dinámica del sistema. El capitulo finaliza mostrando resultados numéricos cuando se emplean diferentes términos en la cinética micriobiana como, términos de inhibición y limitación de uno de los componentes. v El capitulo 6 corresponde a las conclusiones generales que se pueden obtener al hacer el análisis de los resultados de los capítulos 4 y 5. En este capitulo se adiciona un pequeño párrafo en el cual se plantea un trabajo a futuro el cual completara el estudio realizado en este trabajo. El apéndice se presenta información mas detallada acerca de la construcción del modelo dimensional y adimensional, y las técnicas numéricas empleadas para resolver las ecuaciones diferenciales parciales hiperbólicas que resultan de los balances de masa.
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