Avaliação e otimização de parâmetros do modelo ASM1 aplicadas à simulação de lodos ativados com dados de monitoramento de estação de tratamento de esgoto doméstico de grande porte

Abstract

A universalização do tratamento de esgoto no Brasil ainda é um grande desafio. A modelagem matemática pode contribuir com o avanço científico e técnico do tratamento de esgotos com lodos ativados (LA), processo amplamente empregado em Estações de Tratamento de Efluentes (ETE) no país. Este estudo ofereceu uma configuração de parâmetros cinéticos e estequiométricos ótimos do modelo ASM1 para a modelagem utilizando dados de monitoramento padrão de ETE de grande porte situada no Brasil em região de clima subtropical. O processo de LA da ETE-SJNV foi modelado com ASM1, Version 3 e o simulador STOAT©. Dados médios de monitoramento (2018 e 2019) foram usados após o tratamento de registros ausentes e censurados e a avaliação de outliers. Adotaram-se relações teóricas no fracionamento da composição do afluente, padrão de simulação sinusoidal (amplitude=30%) e o descarte do LA com tempo de bombeamento variável. Os parâmetros cinéticos e estequiométricos do ASM1 foram avaliados e otimizados com análise de sensibilidade e Metodologia de Superfície de Resposta (MSR), visando erro mínimo de previsão para as variáveis alvo da modelagem: SST, DQO e NH3 efluentes. Na simulação inicial foram obtidos altos erros de previsão (SST: -57,47%; DQO: -45,52%; e NH3: -88,61%), que justificaram a calibração e validação do ASM1. Foram identificados seis parâmetros sensíveis para o ASM1: YH, YA, μA, KNH, bA e kOA. YH afetou principalmente SST e DQO e os outros parâmetros afetaram NH3. As previsões dos modelos de regressão (MSR) e das simulações apresentaram forte correlação (R²>97%). Os valores ótimos estimados foram: YH: 0,9903; YA: 0,2575; μA: 0,012; KNH: 1,4; bA: 0,0054; e kOA: 0,4536. O ASM1 foi calibrado gerando previsões precisas de SST, DQO e NH3 efluentes em condições específicas de modelagem. Na validação foram obtidos altos erros de previsão para SST e DQO, que estão relacionados com o aumento de YH pela otimização. Os parâmetros ótimos, principalmente os que afetaram as previsões de NH3, são base para explorar aplicações do ASM1 na modelagem utilizando dados de monitoramento padrão de ETE de grande porte situada no Brasil em região de clima subtropical. Recomenda-se avaliar o valor ótimo determinado para YH, a simulação dinâmica e diferentes amplitudes, métodos de descarte de LA e períodos de simulação.

The universalization of wastewater treatment in Brazil is still a big challenge. Mathematical modeling may contribute to the scientific and technical advancement of wastewater treatment with activated sludge (AS), a process widely used in Wastewater Treatment Plants (WWTP) in the country. This study provided a set of optimal kinetic and stoichiometric parameters of ASM1 model for modelling using standard monitoring data of large-scale WWTP located in Brazil in subtropical climate region. WWTP-SJNV's AS process was modeled with ASM1, Version 3 and the STOAT© simulator. Average monitoring data (2018 and 2019) were used after treating missing and censored records and evaluating outliers. The study adopted theoretical ratios for the influent composition fractionation, sinusoidal simulation pattern (amplitude=30%) and variable pumping time for the Waste AS (WAS) wastage. The kinetic and stoichiometric parameters of the ASM1 were evaluated and optimized through sensitivity analysis and Response Surface Methodology (RSM), aiming at minimum prediction errors for the modeling target variables: effluent TSS, COD and NH3. The initial simulation resulted in high prediction errors (TSS: -57.47%; COD: -45.52%; and NH3: -88.61%), which justified ASM1 calibration and validation. Six sensitive parameters were identified for ASM1: YH, YA, μA, KNH, bA and kOA. YH mainly affected TSS and COD and the other parameters affected NH3. Predictions of the regression models (RSM) and the simulations presented strong correlation (R²>97%). The estimated optimal values were: YH: 0.9903; YA: 0.2575; μA: 0.012; KNH: 1.4; bA: 0.0054; and kOA: 0.4536. ASM1 was calibrated to provide accurate predictions of effluent TSS, COD and NH3 regarding specific modeling conditions. Validation resulted in high predictions errors for TSS and COD, which are related to YH increase due to the optimization. The optimal parameters, mainly the ones which affected NH3 predictions, are base for studies on ASM1 modelling using standard monitoring data of large-scale WWTP located in Brazil in subtropical climate region. It is recommended to evaluate the optimal value determined for YH, the dynamic simulation and different amplitudes, WAS wastage methods and simulation periods.