El modelado matemático y la simulación numérica de los diferentes procesos unitarios que forman parte de las EDAR (Estación Depuradora de Aguas Residuales), se han mostrado como herramientas de gran potencial en el diseño, operación y control. Son cada día más numerosas las empresas de ingeniería que diseñan sus tecnologías de tratamiento de aguas o fangos utilizando aplicaciones informáticas de simulación, capaces de explorar el comportamiento dinámico del proceso ante diferentes condiciones de operación.

 

Desde los primeros trabajos propuestos en los años 70, en los que se contemplaban la DBO y la DQO (demanda biológica y química de oxígeno respectivamente) como único parámetro de control, existe una evolución de la simulación y modelización computacional en EDAR. En la actualidad, existen diferentes softwares comerciales basados en los modelos de fangos activados ASM (Activated Sludge Model) propuestos por la IAWQ (Internacional Association of Water Quality), actual IWA, que permiten el modelado y control  integral de una EDAR. Estos softwares han tenido gran acogida y son de uso muy extendido debido a su sencillez. Ejemplos de ellos los encontramos en Biowin, GPS-X, WEST, SSSP, Aquasim, Simba o DESSAS, entre otros. En contrapartida la hidrodinámica de las diferentes partes de la EDAR está tratada de una forma muy simplificada.

 

Las herramientas de simulación computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD), herramientas que permiten el modelado hidrodinámico muy detallado en 3D, se han consagrado durante los últimos años en numerosos campos técnicos a nivel mundial, debido  a las ventajas que proporcionan, tanto en el diseño y elaboración de productos, como en el control y operación de los mismos. La utilización de herramientas CFD  conllevaría un ahorro importante de costes y reducción de tiempos en el desarrollo de productos y procesos. El sector de la simulación, con este tipo de herramientas, está ampliamente extendido y en constante crecimiento. Así como es habitual encontrar en este tipo de software  capacidad para reproducir reacciones químicas complejas, no se ha incorporado hasta la fecha el modelado de los procesos bioquímicos de las diferentes etapas de una EDAR.

 

El grupo de Fluidos Multifásicos de la Universidad Jaume I (UJI) de Castellón junto a FACSA y en colaboración con EPSAR han trabajo durante estos años, y en el marco de diferentes proyectos de investigación financiados con fondos públicos,  en la aplicación de la simulación mediante software CFD a las distintas etapas de EDAR, lo que permite reproducir el comportamiento hidrodinámico del flujo en detalle. Con el ánimo de suplir las carencias en cuanto a la parte bioquímica del modelo, se han incorporado de forma pionera al código CFD los modelos que contemplan las reacciones bioquímicas. De esta forma, se puede disponer de una herramienta de simulación de fluidos capaz de predecir de forma detallada el comportamiento del fango activado en el interior del reactor biológico, tanto en cuanto a su hidrodinámica como a su comportamiento bioquímico. Por tanto, la aplicación directa de herramientas CFD en EDAR, permite contemplar las fases de diseño, operación, control, así como la optimización del proceso, aunando en una única herramienta los dos planteamientos tradicionales. Enfocando la problemática desde esta doble vertiente, se han acometido experiencias de modelado de diferentes elementos de una EDAR con estas nuevas capacidades. A continuación se detallan algunos de los trabajos realizados. 

 

Se ha llevado a cabo el modelado del reactor biológico de la EDAR Mancomunada de OBVA (Onda, Betxí, Vila-real y Alqueries), la cual trata unos 10.000 m3/día, figura 1a. De esta forma, modificando la configuración del tanque anóxico, practicando un nuevo pasamuros con una determinada geometría y sección en la zona opuesta, figura 1b, se consigue maximizar el tiempo de residencia y eliminar cortocircuitos hidráulicos y volúmenes muertos, figura 1c y d. Por otro lado, se ha podido establecer el grado de agitación mínimo requerido que garantiza la homogeneidad del flujo y permite obtener velocidades de sedimentación límite, para las cuales no se produce deposición de sólidos del licor mezcla, lo que se consigue reposicionando un agitador mecánico a cierta altura y con un ángulo determinado, figura 1e y 1f. Finalmente, y gracias a la inclusión del modelo ASM1 en el código, se ha podido estudiar y optimizar el comportamiento bioquímico en la zona anóxica y facultativa, incrementando notablemente el rendimiento  del proceso de desnitrificación, figura 1g-1j.

 

 

 

 

La elaboración de modelos CFD requiere de una exhaustiva campaña de medidas experimentales para llevar a cabo la validación del mismo, permitiéndose de esta forma garantizar la calidad de los resultados obtenidos en ese escenario. Entre los diferentes tipos de medidas experimentales que se realizan para la elaboración de los modelos CFD destacan: técnicas experimentales con trazadores inertes, medidas de velocidad, oxígeno disuelto y análisis físico-químicos. En la figura 2 se muestran la evolución de un pulso de fluoresceína en el tanque, mostrando las concentraciones del trazador con el tiempo obtenidas por el código y comparadas con los datos experimentales. 

 

 

 

Otra de las experiencias que se ha llevado a término, en el marco de la colaboración entre la Universitat Jaume I, Facsa y Epsar, es el estudio del digestor anaerobio de la EDAR de Alcoi, figura 3, el cual posee un volumen de 3.200 m3. Se ha estudiado el sistema de agitación, que consiste en una recirculación de lodos con bombeo externo, donde el flujo es impulsado a través de dos jets o boquillas. Se han estudiado las velocidades en el interior del digestor, los tiempos mínimos de renovación del flujo y se ha determinado el volumen muerto en función del caudal recirculado.

 

 

 

 

Otra experiencia en modelado ha consistido en el estudio del funcionamiento hidráulico del decantador secundario de la EDAR de Alcoi, tras implementar un deflector tipo Stamford, figura 4. Se ha optimizado el posicionamiento del mismo de manera que aumente el proceso de sedimentación.

 

FACSA es la empresa privada española con más experiencia en la gestión del ciclo integral del agua. Perteneciente a Grupo Gimeno, se fundó en Castellón en el año 1873 con el objetivo de dotar a la capital de una moderna red de distribución de agua potable. Desde entonces, ha diversificado sus actividades y consolidado su presencia en varias comunidades autónomas, convirtiéndose en una de las empresas de referencia en el sector del agua.