Utilización de modelos matemáticos en la optimización de los procesos en una depuradora

Recientemente, ACCIONA AGUA con el objetivo de mejorar el rendimiento de eliminación biológica de nitrógeno en una de sus EDARs, ha realizado una serie de modificaciones en el reactor biológico de la misma, en base a modelos matemáticos de simulación “CFD”.

El trabajo se realizó en conjunto con la empresa DE RICO HERRERO GLOBAL S.L.  A continuación se presentan los resultados de dicho estudio. 

La configuración del reactor biológico es  flujo pistón y cuenta con cuatro cubas lineales conectadas en secuencia por sendos orificios de paso inferior y por ventanas en la parte superior. La modificación implementada se centra en la cuba  final de dicho reactor:

• Se ha instalado un acelerador de corriente en el centro del pasillo paraevitar la sedimentación en caso de ausencia de aireación. 
• Se han modificado las parrillas de aireación para independizarlas del resto y poder elegir su activación completa o parcial. 
• Se ha modificado la recirculación en el reactor. Anteriormente se realizaba mediante dos bombas en el fondo con impulsión vertical. Ahora se realiza a través de una bomba vehiculadora con  tubería horizontal que atraviesa los pasillos centrales hasta llegar al inicio del primer pasillo. 

Planteamiento del estudio

Para corroborar y cuantificar las mejoras que se derivan de las obras acometidas, se plantea la realización de 3 simulaciones del mismo reactor biológico:

• Simulación 1:  el reactor biológico funcionando con su configuración inicial 
• Simulación 2: el mismo reactor funcionando con las modificaciones en su cuarta cuba (sin aireación y con un acelerador en el centro). 
• Simulación 3: el mismo reactor en una situación intermedia, todo igual en las 3 primeras cubas, y en la última cuba con aireación solo en la primera parilla y con el mencionado acelerador en el centro.

Se espera que la comparación entre las simulaciones permita evaluar de forma cualitativa y cuantitativa la mejora en el comportamiento hidráulico del reactor biológico. 

Características de la simulación

• El modelo tridimensional para la simulación se basa en los planos de diseño y las mediciones aportadas in situ por personal de Acciona Agua, por lo que el modelo es geométricamente preciso.
• La simulación se realiza en régimen estacionario, utilizando la tecnología de los Volúmenes Finitos. En el reactor biológico se define un modelo bifásico que contempla los dos medios: agua y burbujas de aire.
• Para que la simulación pueda proporcionar resultados precisos se han definido con precisión la ubicación de las tuberías de entrada y salida, así como los aceleradores de corriente y los pasos entre las distintas cámaras de un reactor. 
• Se ha definido el modo de operación que se desea simular: caudales de agua y de aire, cota del agua en el reactor, etc.
• Para una mayor precisión, la inyección de las burbujas de aire se hace a través de unos difusores que se han ubicado en su posición real. En las áreas de inyección se ha definido un caudal constante de aire. Tal y como ocurre en la realidad, cuanto mayor sea la concentración de difusores, mayor será la inyección de aire en una parrilla. 
• En la siguiente imagen se muestra la nomenclatura empleada para definir las zonas del modelo:

Generación del modelo de simulación

Geometría

La geometría del reactor biológico se generó con un programa de diseño 3D. Como datos de partida se utilizaron los planos de la instalación y las medidas directas realizadas in situ por personal de ACCIONA AGUA. Dicha información fue transmitida a De Rico Herrero Global S.L mediante croquis de medidas y fotos acotadas. Con dicha información se realizó el modelo tridimensional de la instalación con sus múltiples variantes en la cuarta cuba. El dominio fluido objeto de las simulaciones corresponde con el volumen interior de las cubas al que se le restan los elementos que se encuentran en ellas. 

Mallado del dominio fluido

Para poder realizar la simulación numérica, el primer paso que hay que dar consiste en mallar el dominio fluido obtenido en el paso anterior. Para esta acción es de gran importancia refinar la malla en las zonas de mayor interés de cara al cálculo, como la zona de inyección del aire o los múltiples aceleradores de corriente. También es importante realizar el refinamiento de la zona correspondiente a la capa límite, con el fin de caracterizar correctamente la condición de no deslizamiento en las proximidades de las paredes. El proceso de mallado se abordó de forma progresiva, realizando una malla para cada cajón del reactor biológico. De esta forma es posible combinar las mallas de un cajón con otra donde se haya modificado la geometría. Finalmente, la malla completa que se obtuvo consta de más de 18 millones de volúmenes finitos.

Definición de las simulaciones: hipótesis de estudio

Con la malla de volúmenes finitos generada se inicia el proceso de simulación de las hipótesis de funcionamiento. Para la realización de estas simulaciones se ha utilizado el programa ANSYS-CFX versión 14.0.

• El primer paso es definir las características de los fluidos que intervienen en el problema (agua y aire), así como determinar que ecuaciones de la mecánica de fluidos son aplicables (Navier Stokes)  y fijar el modelo de turbulencia adecuado para el caso (SST o modelo estándar k-ω).
• Posteriormente se definen las condiciones de contorno: áreas de entrada y de salida, condición de superficie libre donde el aire puede escapar, número de aceleradores activos,  etc.
• Se completa la definición con los parámetros propios del programa para la definición de la simulación bifásica. 

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