El documento presenta el modelo matemático ASM1 para la simulación de procesos biológicos en plantas de tratamiento de aguas residuales. El modelo describe los principales componentes del agua residual y las reacciones que ocurren durante el tratamiento aerobio y anóxico mediante una matriz de ecuaciones diferenciales. También se explican conceptos como las funciones de activación y desactivación de procesos, y se proporcionan ejemplos de parámetros cinéticos y características de aguas residuales domésticas.

1. Seminario: AQUASIM
Aplicación del Modelo de Fangos
Activos Nº 1 (ASM1)

2. 1.- MODELO TRADICIONAL: ESTADO ESTACIONARIO
ACUMULACIÓN = ENTRA – SALE  REACCIONA
En estado estacionario: ACUMULACIÓN = 0
   
dt
dS
V
S
Q
Q
S
Q
S
Q
f
f
r
f
r 



 0
0
CM
K
S
S
Q
X
V
K
S
Sf
1
0
0
1
0
1
1 




3.   V
X
k
S
S
Q
Y
X
Q
P d
f
r
w
f 


 0
   
dt
dOD
V
NcOx
OD
Q
Q
OD
Q
OD
Q f
r
f
r 




 0
0   X
V
b
S
S
Q
a
NcOx f 

 0
NcOx
RECIRC
DEC
REACTOR
dt
dX
V
dt
dX
V
X
Q
X
Q
X
Q r
w
e

















 '
0 0

4. 2.- Ventajas y limitaciones de la modelación dinámica
Permite predecir la calidad del efluente, la demanda de oxígeno y la
producción de lodos como respuesta a las fluctuaciones en tiempo
real de la carga afluente.
El modelo calibrado de un proceso se puede utilizar para:
diagnóstico y evaluación de las prácticas actuales, proyecto y
comparación de variantes, pruebas de cambios operacionales y
optimización de la explotación, y capacitación del personal.
En la fase de proyecto, se puede probar configuraciones
innovadoras y comparar variantes.
Se puede optimizar los ensayos a escala piloto (tiempo e inversión
requerida), realizando primero la aplicación de un modelo pre-
calibrado y sólo probar a escala piloto algunas de las soluciones
propuestas.

5. Ventajas y limitaciones de la modelación dinámica
Optimar la configuración de una EDAR, dando respuesta a
cuestiones sobre su capacidad y los impactos de modificaciones
proyectadas.
Herramienta de ayuda a la toma de decisión. Medio gráfico visual.
Se pueden realizar estudios sin perturbar el funcionamiento de la
EDAR, ni poner en riesgo sus equipos.
Herramienta de formación y de toma de conciencia de los
operadores sobre aspectos críticos (recirculación, TRC, DO, Pf, …).
Como principal limitación presenta la necesidad de realizar estudios
previos para pre-calibrar los modelos. Los datos que se requieren,
en general, difieren de los datos rutinarios de caracterización que se
tiene en las EDAR.
ARI: más investigación para evaluar la aplicabilidad del ASM1.

6. Componente i 
Proceso j 
1
XH
2
SDQO
3
SO2
4
SNH4
Cinética
1 Crecimiento
heterotrofo
aerobio
+ 1
H
Y
1

H
H
Y
Y


1 - iXB
H
DQO
DQO
DQO
H X
S
K
S


2 R. endógena
heterotrofa
- 1 - 1
H
O
H
O
O
H X
S
K
S
b
2
,
2
2
'

Parámetros
estequiométricos:
Y
Velocidad de reacción observada (MiL-3
T-1
)
r v P
i ji j
j
 
Parámetros cinéticos:
H, KDQO, b’
H, KO2,H
Biomasa
(g DQO/m3
)
Sustrato
(g DQO/m3
)
Oxígeno
(g O2/m3
)
Amonio
(g N/m3
)
Matriz de un modelo que representa un crecimiento aerobio heterótrofo
H
O
H
O
O
H
H
DQO
DQO
DQO
H
H
H
O X
S
K
S
b
X
S
K
S
Y
Y
r
2
,
2
2
'
2
1







Se puede calcular la velocidad neta de reacción de cualquier componente
i como efecto de los diferentes procesos j: ri neta = vji pj
3.- Notación general del modelo ASM1

7. Funciones de activación y desactivación (ON/OFF)
Se toma como ejemplo la expresión cinética utilizada en el ASM1 para
el proceso de crecimiento heterotrofo en medio anóxico.
H
g
NO
NO
NO
O
H
O
H
O
S
S
S
H
H
X
S
K
S
S
K
K
S
K
S
dt
dX






2
,
2
,
2
max
,
Donde:
XH: biomasa heterótrofa activa
SS: sustrato orgánico rápidamente degradable
SO2: concentración de oxígeno disuelto
SNO: concentración de nitrato
g: corrector de la velocidad de crecimiento en medio anóxico.
t : tiempo
KS, KO2H, KNO: constantes de semi-saturación o de activación /
desactivación

8. Caracterización del agua residual
• Biodegradable:
… rápida
… lenta (hidrólisis)
• Inerte

9. Compuestos (reactivos y productos) del ASM 1
DQO total
DQO
biodegradable
DQO
inerte
DQO
biomasa activa
SS
soluble
XS
en suspens.
XBH
heterotrofa
XBA
nitrificantes
SI
soluble inerte
XI XP
inerte producto

10. Compuestos (reactivos y productos) del ASM 1
NTK
SNH
amonio
Nitrógeno
orgánico
XNB = iXB XH
nitrógeno en la biomasa
SNO
nitrato + nitrito
N-Orgánico
soluble
N-Orgánico
en suspensión
Biodegradable
Soluble en susp.
SND XND
No biodegradable
SNI
No biodegradable
XNI & XNP

11. Símbolo Unidades Dinamarca Suiza Hungría
SS g DQO/m3
125 70 100
SI g DQO/m3
40 25 30
XS g DQO/m3
250 100 150
XI g DQO/m3
100 25 70
SND g N/m3
8 5 10
XND g N/m3
10 10 15
SNH g N-NH4
+
/m3
30 10 30
SNI g N/m3
2 2 3
SNO g N-NO3
-
/m3
0.5 1 1
Características de aguas residuales domésticas decantadas

12. Fracciones (%)
fSI fXI fSS fXS fXH
Aguas Residuales Brutas
Sudáfrica 5 13 20 62 -
Suiza 11 11 32 45 -
Hungría 9 20 29 43 -
Dinamarca 8 19 24 49 -
Suiza
Flawill (22 ºC)
Tuffenwies (13 ºC)
Dietikon (15 ºC)
20
10
12
9
8
10
11
7
8
53
60
55
7
15
15
Dinamarca-Lundtofte 2 18 20 40 20
Aguas Residuales Primarias
España (*) 5 - 10 10 - 15 10 - 25 30 - 60 5 - 15
Dinamarca-Lundtofte 3 11 29 43 14
Suiza-Zurich 10 9 16 40 25
Francia-Pilot 10 13 33 44 -
Francia-Valenton 6 8 25 41 -
Sudáfrica 8 4 28 60 -
Aguas Residuales Pluviales
Dinamarca-Lundtofte 5 5 56 26 8
Tabla.- Fracciones de la DQO en aguas residuales municipales

13. DQOT DQOS NTK NH4 NO3 SST Alcalinidad pH CE SSV P total DBOC
(mg/L) (mg/L) (mg N/L) (mg N/L) (mg N/L) (ppm) (mg/L CaCO3) (S/cm) (ppm) (mg P/L) (mg/L)
298 168 43 33 1,5 103 211 7,1 2931 75 9,8 250
Composición media del agua residual decantada del área metropolitana de
Coruña. Punto de muestreo: efluente pre-tratado.
PARÁMETRO DESCRIPCIÓN VALOR MEDIO
fXI Fracción inerte en suspensión 0.03
fSI Fracción inerte soluble 0.13
fSS Fracción rápida degradación 0.47
fXS Fracción lenta degradación 0.37
Fracciones orgánicas del agua residual decantada de Coruña
PARÁMETRO DESCRIPCIÓN PROMEDIO RANGO
YH (g DQO/g DQO) Producción heterotrofa 0.73 0.5 – 0.84
H, max (d-1) Crecimiento específico máximo
de heterotrofas
5.9 4.5 – 7.1
bH (d-1) (*) Respiración endógena
de heterotrofas
0.92 0.67 – 1.1
A, max (d-1) Crecimiento específico máximo
de nitrificantes
0.42 0.31 – 0.53
Coeficientes a 20 ºC del agua residual decantada de Coruña
(*) Modelo muerte - regeneración

14. SND
XND
SNH
SO
SALC SNO
Crecimiento
heterótrofas
Amonificación
Hidrólisis
N-Org
SS
XH XP
XS
Decaimiento
bacteriano
SO
Crecimiento
nitrificantes
Hidrólisis
orgánica
Procesos aerobios
ASM1
XA

15. SND
XND
SNH
SALC
SNO
Crecimiento
heterótrofas
Amonificación
Hidrólisis
N-Org
SS
XH XP
XS
Decaimiento
bacteriano
Hidrólisis
orgánica
Procesos anóxicos
ASM1
XA

16. j
Componente i 1
SI
2
SS
3
XI
4
XS
5
XH
6
XA
7
XP
8
SO2
9
SNO
10
SNH4
11
SND
12
XND
13
SALK
Cinética, pj (ML-3
T-1
)
Proceso
1 Crecimiento
heterotrofo
aerobio H
Y
1

+1
H
H
Y
Y


1 -iXB
14
XB
i
 H
O
H
O
O
S
S
S
H X
S
K
S
S
K
S

 ,
max
,

2 Crecimiento
heterotrofo
anóxico H
Y
1

+1
H
H
Y
Y
86
.
2
1

- iXB
14
86
,
2
·
14
1 XB
H
H i
Y
Y


O
H
O
H
O
NO
NO
NO
S
S
S
H g
S
K
K
S
K
S
S
K
S




 ,
,
max
,
3 Crecimiento
nitrificantes
+1
A
A
Y
Y


57
.
4
A
Y
1
A
XB
Y
i
1


A
XB
Y
i
7
1
14


A
O
A
O
O
NH
NH
NH
A X
S
K
S
S
K
S

 ,
max
,

4 Decaimiento
heterotrofo
1 - fp -1 fp iXB – fp iXP
H
H X
b
5 Decaimiento
nitrificantes
1 - fp -1 fp iXB – fp iXP
A
A X
b
6 Amonificación
N-Org. soluble
1 - 1
14
1 ka SND XH
7 Hidrólisis de
mat. orgánica
1 - 1
  N
NO
NO
O
H
O
H
O
h
O
H
O
O
H
S
X
H
S
h
S
K
S
S
K
K
S
K
S
X
X
K
X
X
k
























 ,
,
,

8 Hidrólisis de
N-Org. susp.
1 - 1
p7 (XND/XS)
DQO DQO DQO DQO DQO DQO DQO DQO N N N N mol
Matriz para oxidación carbonosa, nitrificación y desnitrificación

17. j Proceso Cinética, pj (ML-3
T-1
)
1 Crecimiento
heterótrofo
aerobio
H
O
H
O
O
S
S
S
H X
S
K
S
S
K
S

 ,
max
,

2 Crecimiento
heterótrofo
anóxico
H
O
H
O
H
O
NO
NO
NO
S
S
S
H
X
g
S
K
K
S
K
S
S
K
S




 ,
,
max
,
3 Crecimiento
nitrificantes A
O
A
O
O
NH
NH
NH
A X
S
K
S
S
K
S

 ,
max
,

4 Decaimiento
heterótrofo H
H X
b
5 Decaimiento
nitrificantes
A
A X
b
6 Amonificación
N-Org. soluble
ka SND XH
7 Hidrólisis de
mat. orgánica
  H
NO
NO
NO
O
H
O
H
O
h
O
H
O
O
H
S
X
H
S
h X
S
K
S
S
K
K
S
K
S
X
X
K
X
X
k




































 ,
,
,

8 Hidrólisis de
N-Org. susp.
p7 (XND/XS)
Expresiones cinéticas del ASM1

18. Origen y cambios que sufren los componentes
Componentes orgánicos del agua
Símbolo Descripción Columna
SI
DQO inertes soluble 1
SS
DQO rápidamente biodegradable 2
XI
DQO inerte en suspensión 3
XS
DQO lentamente biodegradable en suspensión 4
Columnas 1 y 3: SI y XI no participan en ninguna conversión, pero SI
contribuye a la concentración del efluente, mientras que XI es parte de
los sólidos volátiles del licor mezcla y de los lodos purgados.
Columna 2: SS se utiliza en el crecimiento de la biomasa heterótrofa
tanto en condiciones aerobias como anóxicas. Además de la cantidad
inicial presente en el afluente, SS se genera continuamente como
producto de la hidrólisis de la materia orgánica particulada XS.
Columna 4: XS se consume (transforma) por hidrólisis pero se produce
en el decaimiento de la biomasa heterótrofa y nitrificante.

19. Componentes orgánicos de la biomasa
Símbolo Descripción Columna
XH
Biomasa heterótrofa 5
XA
Biomasa nitrificante 6
XP
Residuo inerte de la biomasa muerta 7
Se suele despreciar el aporte de biomasa activa por el afluente. Por otro
lado, la DQO total y los sólidos en suspensión volátiles (SSV) del lodo
purgado y licor mezcla están formados por biomasa activa y biomasa
inactiva: XH + XA + XP + XI + XS.
Columnas 5 y 6. XH y XA, se forman en el crecimiento aerobio, por un
lado, y anóxico (sólo XH) por otro, mientras que se consumen en el
proceso de decaimiento.
Columna 7. Al decaer, XH y XA se forma, entre otros productos, un
residuo particulado inerte XP que no participa en ninguna otra conversión
(contribuye a la biomasa inactiva).

20. Oxígeno disuelto
Columna 8. El oxígeno se consume en el crecimiento de heterótrofas y
nitrificantes.
El modelo no considera que se consume oxígeno directamente en el
decaimiento (pero si indirectamente a través de SS que procede de la lisis).
El modelo permite determinar el consumo de oxígeno (rO2), pero no las
variaciones en la concentración de oxígeno, SO. Para poder predecir SO, se
necesita incluir el proceso de aireación en el modelo.

21. Compuestos nitrogenados
Símbolo Descripción Columna
XND N-Orgánico en suspensión biodegradable 12
SND N-Orgánico soluble biodegradable 11
SNH N-amoniacal 10
SNO N-nitrato + nitrito 9
Además de las formas contempladas en la matriz, existen otras tres formas
de nitrógeno orgánico incorporadas en:
• la biomasa (XNB = iXB · XB),
• los productos inertes de lisis (XNP = iXP · XP) y
• la materia orgánica inerte (XNI = iXI · XI).
Estas formas se pueden calcular pero no son necesarias en el modelo
puesto que no se puede hacer un control del balance de nitrógeno, a
menos que se capture y cuantifique el nitrógeno gaseoso del proceso (N2).

22. Columna 9 (SNO). El segundo aceptor de electrones que incluye el modelo es
el nitrato (y nitrito). Se produce en el crecimiento aerobio de nitrificantes y se
consume (elimina) en el crecimiento anóxico de las heterótrofas.
El factor 2.86 que aparece en uno de los coeficientes estequiométricos
corresponde al equivalente en O2 de la conversión de NO3 en N2.
Columna 10. El nitrógeno amoniacal (SNH) utilizado procede, además de lo
que traiga el agua residual, de la reacción de amonificación del nitrógeno
orgánico soluble y se consume principalmente cuando sirve de fuente de
energía en el crecimiento de la biomasa nitrificante.
Hay que contar también una fracción (iXB) de N-NH4
+ que se incorpora a las
células durante la síntesis. Se considera que a pH  7.0, SNH está formado
principalmente del ion amonio.
Como simplificación, el ASM 1 considera que la formación de NO3
- se hace
directamente sin otra etapa que pase por NO2
-.




 e
eq
O
mol
NO
mol 1
4
1
5
1
2
3

23. Columna 11. El nitrógeno orgánico soluble (SND) es producto de la hidrólisis
de su forma particulada (XND), mientras que es transformado en amonio por
amonificación.
Columna 12. XND se pierde por hidrólisis, pero se reacumula con la muerte de
los microorganismos, tanto autótrofos como heterótrofos, donde se recupera
el equivalente de iXB – (fP · iXP).
El producto (fP · iXP) es la fracción que no es recuperable, porque está asociada
a la fracción inerte de los productos de lisis.
Alcalinidad
Columna 13. Representa el balance de alcalinidad (Salk). Se optó por hacer el
balance de alcalinidad, pudiendo obtener de éste, señales sobre el pH.
Para fines prácticos, se considera que una caída de 50 mg/L de CaCO3 en la
alcalinidad puede causar inestabilidad y caída del pH a valores menores que 6,
lo que podría afectar de forma significativa el proceso de nitrificación.

24. Utilización del modelo ASM 1
Para simular una EDAR en particular, se debe realizar una pre-calibración del
modelo, actividad que implica varias etapas.
Caracterización de las aguas y determinación de los parámetros del modelo
Los parámetros que se pueden tomar como supuestamente fijos son: YA, fP, iXB,
iXP, KO,H, KNO, KO,A, bA.
Símbolo Unidades Valor a 10 º C Valor a 20 ºC Rango a 20 ºC
Coeficientes estequiométricos
YA g DQOC/g Nox 0.24 0.24 0.07 – 0.28
YH g DQOC/g DQOS 0.67 0.67 0.46 – 0.69
fp adimensional 0.08 0.08 ---
iXB g NC/g DQOC 0.086 0.086 ---
iXP g Np/g DQOP 0.06 0.06 0.02 – 0.1

25. Parámetros cinéticos Valor 10 º C Valor 20 ºC Rango 20 ºC
H,max d-1 3.0 6.0 3.0 – 13.2
KS g DQO/m3 20.0 20.0 10 – 180
KO,H g O2/m3 0.20 0.20 0.01 – 0.2
KNO g N-NO3
-/m3 0.50 0.50 ---
bH d-1 0.20 0.62 0.05 – 1.6
g adimensional 0.8 0.8 --
h adimensionmal 0.4 0.4 0.4 – 1
kh g DQO lent.degrad./g DQOC/d 1.0 3.0
KX g DQO lent.degrad./g DQOC 0.01 0.03
A,max d-1 0.3 0.8 0.34 – 0.8
KNH g N-NH4
+/m3 1.0 1.0 --
KO,A g O2/m3 0.4 0.4 --
ka m3/g DQO/d 0.04 0.08 --
bA d-1 0.15 --

26. Protocolo de simulación de plantas de tratamiento
Un ejemplo de protocolo que se podría seguir es el de STOWA (Fundación
holandesa de investigación aplicada al agua) (Hulsbeek et al., 2002).
Establecimiento de objetivos
Descripción de procesos
Recopilación y verificación de datos
Estructura del modelo
Caracterización de flujos
Calibración
Caracterización detallada
Validación
Estudios de optimización
Sugieren calibrar el modelo
directamente en la planta,
empezando con los valores por
defecto y ajustando algunos
parámetros específicos:
a) Medir y calibrar la
composición y producción de
lodo, ajustando XS y XI del
afluente, así como iXB y iXI.
b) Medir y calibrar el amonio
efluente, ajustando KO,H, KNH
y bA.
c) Medir y calibrar el nitrato
efluente, ajustando g, bH,
KO,A, KO,H.