Modelado multiescala de un biorreactor de membrana para el tratamiento de aguas residuales con contenidos de grasas y aceites Público Deposited
Los efluentes de la industria de alimento para mascotas presentan contenidos grasos que los hacen difíciles de tratar. Los biorreactores de membrana representan una alternativa atractiva para el tratamiento de aguas residuales de industrias alimentarias. El modelado matemático de este tipo de sistemas es una herramienta práctica para el diseño, control y optimización de plantas de tratamiento. Entre los enfoques de modelado no existe un modelo matemático que tenga como característica el diseño específico para biorreactores de membrana y que capture la naturaleza jerárquica de estos sistemas. En este trabajo se desarrollan nuevos modelos matemáticos, a partir de las ecuaciones fundamentales de transporte de masa y cantidad de movimiento al nivel de escala del continuo. Mediante el uso del método del promedio volumétrico se deducen modelos de medio efectivo tanto para el tanque aerobio como para el tanque de membrana, los cuales son los componentes más importantes del sistema. Entre las características del enfoque de modelado usado aquí, se tiene la ventaja de que los coeficientes son predecibles, a partir de esquemas de cerradura, sin ser la solución de éstos computacionalmente demandante. Los modelos del biorreactor de membrana deducidos son deterministas, predicen las condiciones de diseño y operación más ventajosas, y permiten la simulación bajo condiciones específicas de operación, lo cual sirve como herramienta para analizar el impacto de cada parámetro sobre la concentración de ácidos grasos de cadena larga (AGCL) y oxígeno. Adicionalmente, las simulaciones numéricas de los modelos dan lugar al entendimiento de los mecanismos de transporte de masa involucrados en el tanque de membrana, mediante la predicción de la velocidad del fluido, de la dinámica del flux total de masa y de la concentración en cada punto del tanque. En el tanque aerobio se identifican como parámetros determinantes, para el transporte y oxidación de AGCL, el área interfacial por unidad de volumen y a la proporción de microorganismos dentro de éstos que oxidan a esta especie química. Mientras que para el transporte de oxígeno reflejan la importancia del flujo volumétrico de aire del reactor y la tasa de consumo de este sustrato sobre la concentración de oxígeno disuelto. No se encontró limitación de oxígeno bajo las condiciones que favorecen la degradación de AGCL. Se definen las mejores condiciones de diseño en cuanto a: áreas interfaciales por unidad de volumen, constantes cinéticas, fracciones volumétricas. Así también se reportan las mejores condiciones de operación: flujos volumétricos de aire y alimentación y números de Biot. Para el tanque de membrana, los factores que más influyen en el transporte de AGCL son: la capacidad retentiva de la membrana de ultrafiltración y la velocidad del fluido contenido en el tanque. En la mayor parte del fluido externo a los conjuntos de módulos de membrana (casetes), el transporte de masa está regido principalmente por la convección, mientras que en los casetes el transporte es predominantemente difusivo. Para este tanque se reportan las mejores condiciones de diseño en términos de las fracciones volumétricas; y las mejores condiciones de operación en términos de los números de Biot y el número de Péclet. Estas aportaciones son relevantes para trabajos experimentales futuros, tanto en cuestiones de diseño como para la proposición de potenciales mejoras a sistemas existentes.
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