Aerobic digestion processes of sewage sludge: advanced tools to optimize sizing and operation.
Palabras clave : 
ATAD.
Digestión aerobia.
Lodo urbano.
Eliminación de nitrógeno.
Herramientas diseño.
Fecha de publicación: 
2015
Fecha de la defensa: 
30-sep-2015
Editorial : 
Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra
Cita: 
MORRAS, Mikel. ""Aerobic digestion processes of sewage sludge: advanced tools to optimize sizing and operation"". Aymerich Soler, E. y Garcia de las Heras, J.L. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, 2015
Resumen
In the past years, WWTP designers and operators have sought for cost-effective and sustainable solutions for the treatment and disposal of sewage sludge minimizing the impact of its management on the overall performance of the mainstream water line. Following this main concern, the present work focuses on studying two different solutions based on aerobic-type digestion systems, namely single stage Autothermal Thermophilic Aerobic Digestion and Post-Aeration process, in order to optimize their design, obtaining clear guidelines for their operation and sizing at full-scale. With that purpose, these processes have been experimentally tested at pilot scale. The experimental results obtained were evaluated by means of stationary mass and heat balances, and later used as basis for the calibration of a dynamic mathematical model. In order to guarantee an accurate prediction of the experimental data, the dynamic model required of a protocol for the characterization of inlet sludge together with a reliable estimation of the composition of non-biodegradable organic matter in the feed sludge. . Thus, some additional ATAD and biodegradability tests were carried out at lab scale in order to quantify the heat potential of different samples of raw sewage sludge and gain more information regarding the fraction and composition of non-biodegradable organic matter, which severely affected the characterization of sewage sludge. Based on the results, a complete characterization protocol for the non-biodegradable and biodegradable fractions of sludge has been developed. Dynamic model calibration enabled the analysis of multiple scenarios for these processes considering a wide range of operating conditions. The results from this analysis provided with relevant clues for optimizing the design and operation of these processes, and even resulted in the development of simple tools for full-scale design of the Post-aeration process. Moreover, a new procedure for simplifying complex dynamic models has also been devised based on the stationary models used for the analysis of experimental data. The simplified models were demonstrated to provide an accurate description of the processes with very low data requirements. In summary, the results from this work proved the potential of using stationary and dynamic models as advanced tools to optimize the design and operation of aerobic digestion processes.
En los últimos años, numerosos diseñadores y explotadores de plantas depuradoras de aguas residuales han centrado su atención en buscar soluciones sostenibles y de bajo coste para la correcta gestión de los lodos urbanos. Muchas de estas medidas consistían en estrategias integrales que buscaban asimismo reducir el impacto de las corrientes de retorno a cabecera de planta en la línea de aguas de la depuradora. Atendiendo a esta creciente preocupación, este trabajo se centra en el estudio de dos soluciones de tratamiento de lodos basadas en sistemas de digestión aerobia (ATAD en una única etapa y Post-aireación) con objeto de optimizar su diseño y obtener pautas concretas para su operación óptima y dimensionamiento a escala real. En el presente trabajo, dichos procesos han sido implementados a escala piloto y posteriormente analizados en base a una serie de balances estacionarios de masa y energía que revelaron detalles y variables relevantes para su operación y dimensionamiento. Asimismo, los resultados experimentales obtenidos se emplearon en la calibración de un modelo matemático dinámico capaz de reproducir tanto el comportamiento biológico como térmico de los procesos objeto de estudio. Sin embargo, para garantizar una reproducción precisa de los resultados experimentales por medio del modelo dinámico, fue necesario desarrollar una metodología de caracterización del fango de entrada a los procesos, que incluye un procedimiento de estimación de la fracción no biodegradable del fango de estudio, así como de su composición. A la vista de lo anterior, se llevaron a cabo una serie de estudios de biodegradabilidad y experimentos ATAD a escala de laboratorio que permitieron no sólo determinar la fracción y composición de la fracción inerte de un determinado fango sino también cuantificar su potencial energético. En base a los resultados de los ensayos, se desarrolló un completo protocolo de caracterización tanto para la fracción biodegradable como no biodegradable de fangos mixtos que permitió una adecuada calibración del modelo dinámico. El modelo calibrado se empleó para un posterior análisis de escenarios en un amplio rango de condiciones de operación. Los resultados de este análisis proporcionaron información relevante para la optimización del diseño y la operación de los procesos objeto de estudio, resultando incluso en el desarrollo de herramientas simples, tales como ábacos, para el diseño a escala real del proceso de Post-aeración. Por otro lado, se ha desarrollado un procedimiento de linealización de modelos dinámicos complejos en base a los balances estacionarios de masa y energía empleados en el análisis de datos experimentales. Aplicando esta metodología fue posible obtener herramientas de cálculo estacionario que proporcionan una descripción precisa de los procesos con un bajo requerimiento de datos. En conclusión, el presente trabajo ha demostrado el potencial de los modelos dinámicos y estacionarios como herramientas avanzadas para la optimización del diseño y la operación de procesos de digestión aerobia.

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