Optimización del comportamiento de difusores para la aireación en estaciones depuradoras de aguas residuales : estudio de los modelos de dispersión turbulenta

Abstract

planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), es una instalación cuya principal función consiste en tratar las llamadas aguas negras para transformarlas en un agua efluente de mejores características. Debido a que cuando el agua llega a la EDAR se encuentra contaminada de diversas formas (disuelta o en suspensión, inorgánica u orgánica, etc.) es sometida a diferentes procedimientos físicos, químicos y biotecnológicos. En general, una estación depuradora de aguas residuales trata las aguas de un ámbito local, procedente del agua que se consume en ciudades o de la escorrentía superficial del drenaje de las zonas urbanizadas. Sin embargo, existen también EDARs que se diseñan y construyen para grandes empresas, con tratamiento especializado al agua residual que se genera. En el proceso habitual de depuración, existe una etapa llamada tratamiento biológico (reactor biológico), donde se ataca a la fracción de la contaminación disuelta en el agua. Para llevar a cabo estas tareas de descontaminación, se recurre a una población de bacterias que se encarga de convertir esta materia orgánica disuelta en sus componentes minerales, separándose posteriormente del agua mediante un proceso de decantación. Estos organismos aeróbicos dependen del oxígeno disuelto en el agua para mantener los procesos metabólicos que producen la energía necesaria para su crecimiento y reproducción. Los dos principales gases componentes del aire, oxígeno y nitrógeno, tienen muy baja solubilidad ya que no reaccionan químicamente con el agua. Esta baja solubilidad del oxígeno en agua es el principal factor limitante para la autodepuración de las aguas residuales y la razón de la necesidad de la inyección de oxígeno atmosférico para de esta manera compensar el oxígeno consumido en los procesos de digestión aeróbica. El proceso de inyección y dispersión de oxígeno atmosférico en agua se denomina aireación, y es uno de los procesos de mayor importancia en una EDAR. Cabe destacar que, además de jugar un papel fundamental en la estabilidad y calidad del agua tratada, su coste energético supone más de la mitad del total de la planta. En las EDARs, la transferencia de oxígeno se hace generalmente a través de dispositivos sumergidos, llamados difusores, que forman pequeñas burbujas en el seno del líquido. Cuanto menor sea el tamaño de las burbujas mayor será la superficie de contacto, o concentración de área interfacial, y la difusión del oxígeno en el agua de tratamiento será más eficiente. Dada la importancia del proceso de aireación para el funcionamiento de la EDAR, resulta llamativo que no se ha estudiado su comportamiento con todo el detenimiento que merece. A fecha de hoy, no hay estudios a nivel fundamental para la optimización del proceso. Los aireadores se disponen en parrillas formando una malla rectangular, se calcula de forma aproximada el caudal de aire a aportar, y la optimización del proceso se hace en la propia planta. Para ello, simplemente se va variando el caudal y se mide la concentración de oxígeno y de la población de bacterias. La experiencia del Grupo de Flujos Multifásicos (GFM) en la simulación de EDARs les ha permitido comprobar que, en la actualidad, los difusores están siendo utilizados de manera inapropiada. Por ejemplo, en las simulaciones de mecánica de fluidos por computador (CFD, Computer Fluid Dynamics) se puede observar que no se tiene en cuenta los efectos que pueden generar las columnas de gas que parten de los difusores sobre el flujo principal. En consecuencia, es común encontrarse con zonas de recirculación e incluso zonas muertas causadas por las propias columnas. También se ha observado que los difusores se colocan tan juntos que las columnas de burbujas generadas pueden colisionar, propiciando la coalescencia de burbujas. Dicha coalescencia aumenta el tamaño de las burbujas y, por tanto, reduce la concentración de área interfacial. Ambos fenómenos reducen de forma drástica la eficiencia de los procesos de aireación, por lo que es necesario analizarlos en profundidad. Esto puede hacerse mediante el uso de códigos CFD, que permitan analizar cómo se distribuye el flujo de agua y gas en todo el volumen aireado, el tamaño de las burbujas dispersas en el flujo e incluso la cantidad de oxígeno transferida. Cabe esperar que el conocimiento de todas estas distribuciones permita optimizar el diseño de las parrillas de difusores, mejorando así la eficiencia del proceso de aireación.