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El futuro de la depuración y del tratamiento de las aguas

Imagínate que antes de construir una planta depuradora o potabilizadora ya sepas si va a funcionar correctamente, si estará bien dimensionada o si va a ser el máximo de eficiente posible. Al mismo tiempo, tienes la posibilidad de evaluar distintas alternativas en un tiempo récord y a un coste muy competitivo, ¿que consigues con ello? Garantizar la máxima calidad del agua tratada y ahorrar dinero, dinero en obra civil, en coste de equipos sobredimensionados o incluso en espacio.

Para el mercado español probablemente  no haya mucha salida, son plantas relativamente pequeñas, hay pocas obras nuevas y lo que viene en un futuro inmediato son remodelaciones o ampliaciones de las plantas existentes, pero, en un mercado global, con países emergentes que necesitan depurar cada vez más, donde las plantas son gigantes, la simulación se erige como el futuro en el tratamiento de aguas.

Cuando TecnoConverting comenzó con la simulación de CFD, nuestra idea era centrarnos en los procesos biológicos y de sedimentación, especialmente en la solución laminar, ya que descubrimos que se crean canales preferenciales, pero no sabíamos exactamente por qué. También encontramos que había algunas áreas con más lodo acumulado que otras. A partir de estos hallazgos, comenzamos a suponer que si existían canales preferenciales o áreas con mayor acumulación de lodos, significaba que el laminar no funciona de manera uniforme, lo que significa que había áreas que trabajaban más y áreas que trabajaban menos.

A partir de estas preguntas e inquietudes, presentamos nuestro proyecto a INNPACTO financiado por el ministerio, luego de informar la evaluación correspondiente, la administración aprobó el proyecto señalando que tiene una mejora técnica considerable nuestro proyecto de simulación.

        1. Simulación de CFD en módulos lamelares

TecnoConverting Engineering utiliza el análisis dimensional multifásico utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD) para el estudio completo de un sistema de sedimentación con el fin de determinar su rendimiento hidráulico y los sólidos suspendidos de los colonos lamelares.

        2. Fundamentos de simulación CFD

La técnica de CFD implica resolver un conjunto de ecuaciones matemáticas y derivados parciales no lineales que rigen el comportamiento de uno o más fluidos. Estas ecuaciones, llamadas ecuaciones de Navier-Stokes son la conservación de la masa, la conservación del momento y la ecuación de la energía.

El método más común para resolver estas ecuaciones es el método de volúmenes finitos. Usando esta técnica, la región de interés se divide en pequeñas regiones, llamadas volúmenes de control. Las ecuaciones se resuelven de forma iterativa y para cada volumen de control a la vez que se mantiene el equilibrio general de las principales variables del sistema de estudio. Como resultado, se obtiene el valor de cada variable (presión, velocidad, temperatura, Reynolds, vorticidad, etc.) en todo el dominio, determinando así el comportamiento general del flujo.

        3. Resultados de la simulación de CFD

Mediante el cálculo de CFD para sedimentador lamelar obtenemos la velocidad de distribución del agua en todo el tanque en estudio, la posible presencia y ubicación de zonas de turbulencia y recirculación, y la determinación de trayectorias de flujo de agua preferenciales con sistema laminar. Además, al agregar un conjunto representativo de sólidos en suspensión, estos caminos se evalúan analizando su velocidad a través del sistema laminar y podemos determinar la eficiencia general del sedimentador.

The figure shows the flow lines of the water through the lamellar. With these results we can see how the process will behave, even in different operating configurations or different types of solids, representing the operation of the equipment at average and peak flow, and with different seasons water. In addition, you can incorporate baffles and geometric changes, assessing the behavior of the system in each case in order to find the best possible performance at a time and cost infinitely less than by experimental evidence.

On the following images we show the trajectories results of suspended solids through the studied settler. In a very visual way it´s possible to observe at different time instants where the solids pass and areas of stagnation or recirculation of these, and where there may be undesirable escape of solids.

Results of a model example (Path of the particles, instant 1)

Results of a model example (Path of the particles, instant 2)

Results of a model example (Path of the particles, instant 3)

4. Interpretation of obtained data through the simulator

From the obtained data through TecnoConverting Engineering CFD calculation, we can design settlers to the actual needs, for example:

Smaller sizes and more efficient settlers, optimized geometry. Savings in civil engineering, space and equipments.

• Is sized exactly the necessary lamellar, thus avoiding to pay extra costs to incorporate lamellas of unsuitable sizes or spacing. Significant financial savings.
• The necessary Thomson channels (effluent throughs) are defined so settler works in the most efficient way without creating preferential channels, in quantities and measures adjusted to the needs. Saving materials and civil works.
• Ensures a minor clogging of the lamellar, which means saving in maintenance

5. What has discovered TecnoConverting that can help you improve your lamellar settling?

• As Thomson channels negatively affect the lamellar scraper and if they are not located properly creating preferential channels.
• What type of effluent troughs channel best for your installation, Thomson type, tubular, GRP or stainless steel?
• How do you have to place the lamellas in the settler to increase efficiency, they must be assembled upstream or in the direction of the flow?
• Where to place the water inlet in a lamellar settler in order to be the most efficient possible.
• What lamellar type must be used in each case. For example, in potable water treatment companies normally use small spacing, but why? Is it really necessary to pay more for little spacings?
• If exists corrected Hazen speed or corrected lift speed rate, how does it affect my lamellar settler?

3D meshing and distribution of variables in the lamellar settler