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Herramientas CFD en EDAR: importancia de la hidráulica en los procesos de depuración y regeneración

18/01/2021

Herramientas CFD en EDAR: importancia de la hidráulica en los procesos de depuración y regeneración


Francisco Sánchez Fernández

Francisco Sánchez Fernández

  • Ingeniero en Lynx Simulations
  • Doctor en modelado y simulación de instalaciones de EDAR mediante CFD

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"Necesidades excesivas de aireación en reactores biológicos o desinfecciones insuficientes en canales ultravioletas son un ejemplo habitual de problemas de explotación en instalaciones de depuración de aguas residuales"
 
En muchas ocasiones, estos problemas son debidos a un deficiente diseño, realizado en base a criterios biológicos y químicos, pero sin tener en consideración la hidráulica del sistema. Es habitual asumir en la fase de diseño un patrón de flujo ideal (pistón, perfectamente mezclado), sin tener en cuenta los detalles del comportamiento del flujo. Estas consideraciones pueden desencadenar un funcionamiento incorrecto de la instalación, debido a ineficiencias hidráulicas tales como volúmenes muertos o cortocircuitos, no contempladas en el diseño.
 
En este contexto, las herramientas de modelización y simulación de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) surgen como una metodología potente para el diseño, análisis y optimización de instalaciones y procesos. Se trata de una tecnología novedosa, cuya expansión ha sido debida, en gran parte, a los avances del cálculo computacional. Si bien el uso de la CFD es muy habitual en el ámbito de la investigación o en sectores específicos como la aeronáutica o la automoción, en los últimos años se ha extendido a diferentes sectores industriales, incluyendo el tratamiento de aguas, donde cada vez es más demandada, incluso por las administraciones públicas.
 
Para los que no estén muy familiarizados con la CFD, se trata de una herramienta de ingeniería que, por medio de métodos numéricos, es capaz de resolver sistemas de ecuaciones en derivadas parciales. Su desarrollo y aplicación ha estado íntimamente ligada a las ecuaciones de Navier-Stokes, que rigen el comportamiento de los fluidos, por lo que la principal utilidad de la CFD es la predicción de los campos de velocidad y presión en líquidos y gases.
 
Dentro del campo de tratamiento de aguas residuales, la aportación del CFD reside principalmente en su capacidad para predecir el comportamiento del flujo en el interior de la instalación, lo que permite evaluar la hidráulica del sistema y detectar ineficiencias que afecten al tratamiento. Desde el punto de vista práctico esto permite ahorrar costes, tanto de implantación como de operación, y tiempo en los diseños, o analizar y proponer mejoras en instalaciones existentes. Dado que se trata de una herramienta matemática, también permite incorporar modelos de otros fenómenos involucrados en el proceso: biológicos, químicos, radiativos, etc. Con el fin de ilustrar mejor el potencial de la CFD en el campo de tratamiento de aguas, se presentan algunos ejemplos de trabajos realizados a escala real.
 
Una de las instalaciones de EDAR más analizadas mediante CFD son los reactores biológicos, ya que además de albergar una de las fases más importantes del tratamiento, es la que más energía consume, de ahí la importancia de optimizar el proceso. El análisis mediante CFD de reactores biológicos involucra la resolución de los flujos, no solo del agua y del fango del reactor, sino también de las columnas de burbujas. A partir de los campos de velocidad del agua, es posible detectar ineficiencias tales como cortocircuitos, zonas muertas o falta de mezclado. La imagen inferior muestra el campo de velocidades en el reactor, destaca el efecto del agitador y de las columnas de aire sobre el comportamiento del flujo.
 
 
 
 
Con el fin de evaluar la eficiencia fluidodinámica del reactor, es habitual simular un ensayo de seguimiento de trazador en el reactor, empleando como base para el transporte del trazador los campos de velocidad y turbulencia previamente calculados. Esta simulación proporciona la curva de distribución de tiempos de residencia (RTD) del reactor, que permite cuantificar el porcentaje de caudal con bajo tiempo de contacto, el grado de mezclado en el reactor o su volumen útil.
 
El potencial del CFD para el análisis de reactores biológicos no se restringe al estudio de la hidráulica del sistema, sino que también permite analizar los procesos biológicos que tienen lugar en su interior. Esta simulación CFD-biológica resuelve, a partir de los campos calculados en la simulación fluidodinámica, el transporte de los distintos componentes involucrados en el proceso (oxígeno, biomasa, amonio, etc), modelizando las reacciones entre ellos mediante un modelo biológico convencional (por ejemplo, Activated Sludge Model N1, ASM1). Esta combinación CFD-biológica es muy interesante para analizar cómo las ineficiencias hidráulicas afectan al proceso de depuración: pasos con bajo tiempo de contacto en donde no da tiempo a que el amonio se oxide, zonas no mezcladas, etc.
 
A modo de ejemplo, la imagen inferior representa la distribución de oxígeno disuelto en el reactor anterior. No se tiene una concentración homogénea de oxígeno en la cámara óxica, sino que en su parte final, donde la demanda de oxígeno por parte del agua es menor, se incrementa la concentración de oxígeno. Este fenómeno supone una ineficiencia, pues se trata de oxígeno transferido al agua (con el coste energético que ello supone), pero no consumido por esta.
 
 
 
 
Otra aplicación de estas simulaciones CFD-biológica es la evaluación del gasto energético necesario de la aireación para mantener cierta consigna de control, en función de las condiciones de caudal y contaminación del influente. En este enlace se puede encontrar una publicación propia en donde se explican detalladamente los resultados de la simulación CFD-biológica del reactor anterior, mientras que el siguiente webinar trata sobre la combinación de herramientas de simulación CFD y ASM:
 
 
 
 
Otra aplicación habitual de la CFD en EDAR es el de las instalaciones del tratamiento terciario. Si bien no son las que presentan un mayor consumo energético dentro del conjunto de la EDAR, sí son susceptibles de presentar deficiencias hidráulicas (principalmente cortocircuitos) que desembocan en un tratamiento insuficiente del agua, y que cobran una vital importancia de cara al próximo obligado cumplimiento del nuevo reglamento europeo 2020/741 relativo a los requisitos mínimos para la reutilización del agua.
 
A modo de ejemplo, se muestra el caso del análisis CFD de un canal de desinfección UV. El correcto tratamiento del agua en el canal requiere que todo el caudal tratado reciba una dosis mínima; es suficiente con que una pequeña fracción del caudal trasegado no reciba la dosis mínima para que no se alcancen los mínimos de desinfección requeridos. En este contexto, el tratamiento eficiente requiere que no haya zonas de paso con bajo tiempo de contacto. La figura inferior muestra los vectores velocidad en un plano intermedio del canal, la geometría de la arqueta previa al canal provoca cierta tendencia helicoidal del flujo, provocando que en una zona del canal (parte inferior de la imagen) se tenga mayor velocidad. Estas diferencias en los tiempos de contacto serán más significativas conforme aumente el caudal tratado.
 
 
 
 
Aunque sería interesante añadir elementos para tratar de uniformizar el flujo en torno a las lámparas, conviene recordar que la dosis UV recibida por el agua también está influenciada por la intensidad UV que se tiene en el reactor, la cual está determinada por distintos factores tales como la transmitancia del agua y la potencia y estado de las lámparas. Al igual que en el estudio de reactores biológicos, la simulación CFD permite incorporar las ecuaciones que rigen la propagación de la radiación UV en el agua, en función de la transmitancia y potencia efectiva de las lámparas (ver imagen inferior izquierda).
 
Mediante la combinación de los campos de velocidad, turbulencia e intensidad UV es posible determinar la distribución de dosis UV en el canal y, lo que es más interesante, la distribución de dosis UV del agua tratada, permitiendo evaluar qué porcentaje de caudal ha recibido una dosis insuficiente, bien porque ha tenido un bajo tiempo de contacto, bien porque ha pasado por las zonas más alejadas de las lámparas, donde la intensidad UV es menor. Otra vía de análisis, si se conoce la curva de inactivación frente a dosis del organismo a eliminar (por ejemplo, la bacteria E. Coli) es simular directamente su transporte del mismo en el canal (empleando como base los campos de velocidad y turbulencia, e incluyendo su eliminación en función de la intensidad UV y de su propia cinética de inactivación).
 
La imagen inferior derecha muestra la distribución de E. Coli (en escala logarítmica) en un plano horizontal del canal. Se observa como en la zona de paso rápido, el menor tiempo de contacto propicia una menor inactivación de la bacteria.
 
 
 
 
Otro proyecto realizado por Lynx Simulations sobre simulación CFD de canales UV es el mostrado en este vídeo, que además fue ya presentado por Lucas Sánchez en AGUASRESIDUALES.INFO en el siguiente enlace... 
 
 
 
 
 

Conclusiones finales

 
En definitiva, las herramientas de modelización y simulación CFD han experimentado un importante auge en los últimos años, extendiendo su uso a diferentes ámbitos industriales.
 
El campo de tratamiento de aguas residuales no es ajeno a esta herramienta, su uso es cada vez más habitual debido a su potencial: ahorro de costes y tiempo en diseño, apoyo en el desarrollo de nuevos productos y tecnologías, optimización de instalaciones, etc. En Lynx Simulations contamos con una dilatada experiencia en simulación CFD de instalaciones de EDAR.
 
 

 


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