Artículo científico: Análisis del diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales del campus Salache
usando dinámica computacional de fluidos.
Publicación Semestral. Vol. 3, No 1, enero-junio 2024, Ecuador (p. 69-91)
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Publicación Semestral. Vol. 3, No 1, enero-junio 2024, Ecuador (p. 69-91). Edición continua
ANÁLISIS DEL DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DEL CAMPUS SALACHE USANDO DINÁMICA
COMPUTACIONAL DE FLUIDOS
José Luis Ágreda Oña1, David Santiago Carrera Molina2, Ámbar Pamela Oña Chuquimarca3,
Patricia Priscila Maldonado Campaña4
1
,2,3Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de CAREN, Ingeniería Ambiental, Latacunga, Cotopaxi,
Ecuador.
4Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de CIYA, Ingeniería Ambiental, Latacunga, Cotopaxi, Ecuador.
*Dirección para correspondencia: jose.agreda2101@utc.edu.ec
Fecha de Recepción: 29/11/2023 Fecha de Aceptación: 15/01/2024 Fecha de Publicación: 26/01/2024
Resumen
En la actualidad el tratamiento de aguas residuales es importante en la salud pública, y como un gran fortín es la
experimentación a nivel de laboratorio enfocado a las características hidráulicas aplicadas a las operaciones
unitarias de la remediación hídrica. La investigación estuvo dirigida a la simulación dinámica computacional del
sistema depurador de aguas residuales domésticas del CAMPUS Salache, analizando el diseño de remoción de
contaminantes como DQO y sólidos sedimentables, a través de la ecuación de Navier Stokes y la matriz ASM1
en la aplicación de biocinética en el funcionamiento de la línea de trabajo del sistema. Las pruebas piloto de las
depuradoras hídricas son muy útiles para el análisis del desempeño en la baja de los contaminantes; actualmente
se está llevando estás pruebas por el lado de la simulación computacional, como beneficio para la investigación
es una amalgama extensa de variables y pruebas que permiten optimizar las líneas de tratamiento. El método
utilizado fue generar una malla de alta definición para la simulación de un tanque homogeneizador y ecualizador
con un volumen de 29.81 m3, un sedimentador con un volumen de 12.8 m3, un reactor secundario de 4 m de altura
con una eficiencia de remoción del 99% de materia orgánica y un tanque de mezclado con un volumen de 0.4 m
3 para la cloración, a través del análisis de la ecuación de Navier Stokes para fluidos Newtonianos. Los resultados
revelaron un correcto flujo de transición de 0.4 m/s de velocidad de paso en la parte baja de los deflectores del
sedimentador generando un régimen de flujo laminar que cumple las condiciones idóneas para la precipitación de
los sólidos sedimentables. Las mejoras en el tanque de cloración, en los sedimentadores y filtro percolador
permitieron aprovechar el principio Venturi para la mezcla rápida del desinfectante en el clorador.
Palabras claves: Depuradora Anaeróbica, Aguas Residuales, Dinámica Computacional de Fluidos, Flujo
Laminar, Tratamientos Convencionales de agua
IDs Orcid:
José Luis Agreda Oña: http://orcid.org/0009-0005-5858-869X
David Santiago Carrera Molina: http://orcid.org/0000-0002-4808-7358
Ámbar Pamela Oña Chuquimarca: http://orcid.org/0009-0002-1355-0223
Patricia Priscila Maldonado Campaña: http://orcid.org/0009-0008-3053-3648
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
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ANALYSIS OF THE DESIGN OF A WASTEWATER TREATMENT PLANT AT
CAMPUS SALACHE USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Abstract
Currently, wastewater treatment is crucial for public health, and laboratory experimentation focused on hydraulic
characteristics applied to unit operations of water remediation plays a vital role. This research aimed to
computationally simulate the domestic wastewater treatment system at the Salache CAMPUS, analyzing the
design for the removal of contaminants such as COD and settleable solids, using the Navier Stokes equation and
the ASM1 matrix for biokinetic application in the system's operation. Pilot tests of water treatment plants are
highly useful for performance analysis in contaminant reduction; these tests are being conducted through
computational simulation, offering an extensive array of variables and tests to optimize treatment lines. The
method involved generating a high-definition mesh for simulating a homogenizer and equalizer tank with a
volume of 29.81 m3, a sedimentation tank with a volume of 12.8 m3, a secondary reactor of 4 m in height with
99% organic matter removal efficiency, and a mixing tank with a volume of 0.4 m3 for chlorination, through the
analysis of the Navier Stokes equation for Newtonian fluids. Results revealed a correct transition flow of 0.4 m/s
passage velocity at the lower part of the sedimentation tank baffles, generating a laminar flow regime that meets
the ideal conditions for settleable solids precipitation. Improvements in the chlorination tank, sedimentation tanks,
and percolating filter allowed for the utilization of the Venturi principle for rapid mixing of the disinfectant in the
chlorinator.
Keywords: Anaerobic Wastewater Treatment Plant, Wastewater, Computational Fluid Dynamics, Laminar Flow,
Conventional Water Treatments
Recursos Naturales Producción y Sostenibilidad
Artículo científico: Diseño y simulación de una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas para el
campus Salache.
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1. INTRODUCCIÓN
Las descargas directas de aguas residuales domésticas sin tratamiento previo pueden generar
un grave impacto ambiental en los cuerpos de agua. Según La Agencia Europea de Medio
Ambiente (2023), se menciona que estas descargas tienen un fuerte componente de
contaminación al medio hídrico superficial en el mundo. Según el informe de 2020 sobre el
agua y el cambio climático publicado por la UNESCO, más de 2.200 millones de personas no
tienen actualmente acceso al recurso hídrico, mientras que otros 4.200 millones de personas
carecen por completo de sistemas adecuados de saneamiento del mismo (UNESCO, 2020).
Las aguas producto de las actividades económicas tienen una gran cantidad de constituyentes
físicos, químicos y biológicos que hacen imposible un uso adecuado del recurso; como
patógenos, nutrientes, metales pesados y productos químicos, que pueden afectar
negativamente la salud de los ecosistemas y, en última instancia, la salud humana
(Organización Mundial de la Salud, 2022; Jiménez, 2021). Por lo tanto, resulta fundamental
adoptar medidas para prevenir y controlar las descargas directas de aguas residuales domésticas
o aguas servidas, a través de la implementación de sistemas de tratamientos adecuados y la
fomentación de enfoques sostenibles para administrar los recursos hídricos (Paucar et al.,
2022).
La disposición de aguas residuales sin el tratamiento adecuado o las condiciones adecuadas de
diseño genera problemas en la calidad ambiental de los cuerpos hídricos, generando
inconvenientes con el ecosistema (García et al., 2021); además, se plantea que las descargas
directas de aguas residuales domésticas es un problema ambiental de gran impacto en todo el
mundo (Pérez et al., 2019). Según la OMS y UNICEF (2022), cerca de dos millones de
personas mueren cada año debido a enfermedades relacionadas con el agua contaminada. En
este sentido, resulta vital tomar medidas para prevenir la descarga directa de aguas residuales,
siendo prioridad la implementación de proyectos de saneamiento y alcantarillado, ya que la
importancia recae en el nivel del contexto de la colectividad que se ve beneficiada por los
servicios ecosistémicos de los recursos disponibles (Herrera et al., 2019).
El tratamiento de las aguas residuales urbanas es un problema no resuelto (Pérez et al., 2022).
Algunos países del mundo, no implementan procedimientos de gestión adecuados en sus
sistemas de aguas residuales para reducir la contaminación de fuentes acuíferas alternativas
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
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como el agua de lluvia y utilizan este recurso como medida de sostenibilidad para las redes de
distribución (Calle , 2023).
Hay muchas formas de reducir la contaminación, una de ellas es tratar la demanda química de
oxígeno (DQO) ya que es indispensable como insumo inicial en la biocinética para la oxidación
orgánica (Álvarez, 2019). En algunos casos, se requiere un tratamiento previo para retener los
residuos sólidos urbanos. Sin embargo, en procesos a mayor escala se realizará 5 etapas:
pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario y la
desinfección (Diaz et al., 2023). Se estima que cada etapa debe mantener un diseño único y
propio por cada característica del proceso a realizar para mantener la eficiencia de la planta
(ECODES, 2021; CENTA, 2021).
Según Mancilla (2021) en su trabajo investigativo menciona que la dinámica de fluidos
computacional ha sido utilizado como una herramienta prometedora para mejorar los perfiles
de oxígeno disuelto y desempeño (Lobatón et al., 2020). De este modo, el software SALOME
da apertura y capacidad a la resolución de problemas como: resistencia, cálculos de filtración,
problemas de conducción de calor en un sólido, problemas asociados con la deformación de la
red computacional, distribución de temperaturas, tensiones mecánicas, termoelasticidad,
porosidad en el objeto simulado (Pakhnenko, 2022; Zhao et al., 2024).
El OpenFOAM es un software libre y de código abierto con gran reputación en CFD (Bo et al.,
2024). Es ampliamente utilizado en varias áreas de ingeniería y ciencias para simular flujos tan
complejos como aquellos que involucran reacciones químicas, turbulencia, transferencia de
calor, fenómenos acústicos, de mecánica de sólidos y electromagnéticos. OpenFOAM está
disponible para sistemas operativos como Mac, Windows y Linux, su descarga e
instrucciones de instalación son de libre acceso (Aguirre et al., 2022).
Por lo que la presente investigación tuvo como objetivo diseñar, simular, y evaluar los diseños
de los equipos de tratamiento de aguas residuales domesticas a través de la simulación
computacional de fluidos dinámica (CFD) en función de mejorar el desempeño en la remoción
de materia orgánica.
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2. METODOLOGÍA
2.1. Descripción del área de estudio
El presente estudio se realizó en la planta de tratamiento de la Facultad de Ciencias
Agropecuarias y Recursos Naturales perteneciente a la Universidad Técnica de Cotopaxi -
Campus Salache. El lugar de estudio se encuentra ubicada debajo de la casa hacienda y a lado
de las plantaciones del invernadero del campus.
Figura 1. Área de estudio, tanque anaeróbico CEYPSA.
2.2. Técnicas físicas y químicas para la recolección de datos
Para el presente estudio se emplearon diversas técnicas como observación en campo,
recolección de muestras, análisis en laboratorio, cálculo de DQO, medición de caudales
instantáneos en las cajas de revisión y la elaboración de un diseño utilizando los Softwares
Salome, OpenFoam y ParaView Además, se llevó a cabo un análisis de datos mediante la
experimentación en el laboratorio de la Universidad Técnica de Cotopaxi, lo que permitió
realizar las medidas necesarias para diseñar los tanques que comprenden la planta de
tratamiento y verificar su correcto funcionamiento. El cálculo del caudal medio se realizó a
partir del volumen total producido durante el día, representado por el área debajo de la curva
de caudal vs tiempo (Figura 2) obtenida mediante la metodología CAHN (Caudales Adaptados
al Hidrograma Natural), que se fundamenta en la evaluación de tres aspectos: hidrológico,
hidráulico y biótico. Este método se utiliza para determinar caudales ecológicos, y se adaptó al
volumen que pasa por un punto de aforo durante 10 horas de monitoreo (García., 2003).
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
74
Figura 2. Volumen representado por el área bajo la curva.
2.3. Procedimiento de la fase de laboratorio
Se recolectaron 25 muestras en intervalos de una hora durante tres días siguiendo el protocolo
de muestreo basado en Standard Methods (2018), de este modo, se realizó el análisis de DQO,
el cual indica el uso de reactivos estandarizados como soluciones patrones, entre ellos tenemos:
ácido sulfúrico, sulfato de mercurio (II), dicromato de potasio, sulfato de plata y las muestras
almacenadas en viales (Alcívar et al., 2023). Se procedió a colocar los viales preparados en el
termoreactor para ejercer la digestión ácida de la muestra y proceder a dar lectura del parámetro
del DQO, metodología adaptada de HANNA Instruments para el año 2021. A su vez se tuvo
una repetividad de observación de cuatro semanas con el fin de descartar datos atípicos
adaptado de lo establecido (Leneydi., 2019).
2.4. Metodología para el diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales
La metodología del diseño se basó fundamentalmente en operaciones unitarias físicas y
biológicas que requirieron información tomada producto de la observación directa establecida
en un plan de monitoreo que abarcó horarios de alto consumo de agua, teniendo en cuenta que,
el dimensionamiento se divide en tratamiento primario y secundario con su respectiva fase de
desinfección (Alférez Rivas & Nieves Pimiento, 2019) .
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2.4.1. Tanque ecualizador
El depósito ecualizador controla las cargas de volumen mediante un conjunto de trampas de
grasa que actúan como sedimentadores primarios para la eliminación de sólidos, en su mayoría
suspendidos (Rueda et al., 2019). La configuración del depósito ecualizador se llevó a cabo
siguiendo la metodología definida en la Norma CO. 10.7 602 que rige para el territorio
ecuatoriano en los sectores rurales:
(1)
donde:
: Caudal punta
: Caudal medio
Para el cálculo del volumen del tanque ecualizador en forma rectangular (m³), se emplearon
los datos de caudal máximo y el tiempo en días. Las fórmulas de diseño se adaptaron de la
revisión al autor Lozano Rivas en su obra del 2019; de este modo, una vez obtenido el volumen
del tanque ecualizador, se multiplicó por un factor de seguridad de 1.25, y luego se utilizó para
calcular su área superficial mediante la fórmula:
(2)
(3)
En este contexto: As: Superficie (m²), h: Dimensión vertical (m)
En la formulación de esta ecuación, se consideró una dimensión vertical de aproximadamente
3 metros, conforme a la normativa que especifica que la profundidad puede variar.
Seguidamente se calculó el ancho y el largo del tanque ecualizador empleando ecuaciones de
diseño y criterios que establecen un ancho de 2,5 metros, basado en el dimensionamiento
observado por varios autores entre ellos (Lozano, 2012).
(4)
(5)
donde:
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
76
: Ancho ()
: Largo ()
2.4.2. Sedimentador primario
Para el dimensionamiento del sedimentador primario se calculó a través de la aplicación del
principio de STOKES que generaliza la fuerza de arrastre y flotación en una partícula que
desciende en un fluido (Changoluisa, 2023).
Velocidad de sedimentación:
donde:
: Velocidad de sedimentación
: gravedad
: Diámetro de la partícula
: Densidad del sólido
: Densidad del fluido, agua
: viscosidad, agua a 4°C
Volumen del Tanque sedimentador primario:
(7)
donde:
: Volumen del depósito de sedimentación primaria
: Tiempo de retención hidráulico
Área superficial:
(8)
donde:
: Área superficial
: Altura , se seleccionó una altura de 3 metros conforme a las regulaciones.
Anchura del depósito de sedimentación primaria
(9)
(10)
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La longitud máxima de estos clarificadores es de alrededor de 30 metros, siempre y cuando se
conserve la proporción entre la longitud y el ancho en un rango de 3 a 5 (Vallejos, 2020). Por
lo tanto, se tomó en cuenta una longitud de 4 metros.
Carga hidráulica:
(11)
donde:
: Carga hidráulica
Velocidad Horizontal:
(12)
donde:
: Velocidad horizontal
Velocidad horizontal máxima:
(13)
donde:
: Velocidad horizontal máxima
En donde la debe ser mayor que la , condición necesaria para poder garantizar el
asentamiento de las partículas suspendidas en el agua residual.
(14)
2.4.3. Filtro Percolador
Un filtro percolador es una superficie, ya sea de grava, roca o un material plástico, en la que se
rocían las aguas residuales previamente tratadas (Laura et al., 2023), generando oxidación
biológica a través de biopelículas en el material de soporte. En este sistema, los
microorganismos se adhieren al material del filtro y forman una capa biológica sobre él. A
medida que las aguas residuales se filtran a través del material, los microorganismos digieren
y eliminan los contaminantes presentes en el agua (Lesikar et al., 2002). Para el levantamiento
de la data requerida y el dimensionamiento del reactor biológico se tomó la metodología
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
78
expresada en la obra de David Hendricks que establece la teoría fundamental de los procesos
unitarios biológicos para la oxidación de materia orgánica (Hendricks, 2011).
Carga másica: (15)
donde:
: carga másica
: Caudal punta
: Carga contaminante del DQO
Para obtener el valor del contaminante aportado por el sistema se promedió los datos de
laboratorio y procedió a determinar del DQO de las muestras y la carga orgánica; lo cual, se ha
estimado en 1,8
según (Lozano,. 2012).
Volumen de soporte del filtro percolador:
(16)
donde:
: Volumen de soporte
: Carga orgánica de trabajo
Área superficial:
(17)
Radio del filtro percolador:
(18) despejando,
(19)
donde:
: radio del filtro percolador
: Área superficial
: Valor de pi
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Carga hidráulica:
(20)
DQO del efluente:
(21)
donde:
: DQO del efluente, salida
: DQO del afluente, entrada
: Valor de Euler
: Constante de tratabilidad
: Constante del material (0.5)
La constante de tratabilidad de aguas residuales domésticas, se empleó un determinado valor
(Hendricks, 2011), además se considera un valor de DQO del efluente
teniendo en cuenta la recirculación, seguí la siguiente ecuación:
(22)
donde:
: DQO del efluente con recirculación
: valor de recirculación
Para el filtro percolador es utilizó un valor de 50% por concepto de recirculación desde el
sedimentador secundario hacia el filtro percolador, adicional se considera la eficiencia del
tratamiento según la siguiente expresión:
Eficiencia:
(23)
donde:
E: Eficiencia (%)
Siendo así, la eficiencia un dato esencial para establecer la medida de remoción de materia
orgánica del sistema de tratamiento.
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
80
2.4.4. Sedimentador Secundario
Para el sedimentador secundario, se calculó parámetros de velocidad de sedimentación y el
volumen del tanque sedimentador primario utilizando un THR de 3 horas. Además, se tomó en
cuenta la proporción entre la longitud y el ancho establecido del depósito de sedimentación.
Adicional, se instauró un criterio de funcionamiento de los parámetros de velocidad horizontal
y horizontal máxima.
2.4.5. Tanque - Cloración
En función de dimensionar el tanque clorador y gestionar el proceso de oxidación de patógenos,
se adaptó las metodologías de David Hendricks y Lozano Rivas.
Volumen:
(24)
: Volumen del tanque
: Tiempo de retención hidráulico, 1 hora (h)
2.5. Simulación de la Planta de tratamiento de aguas residuales domésticas
Para la simulación de la biocinética del filtro percolador, se aplicó el modelo matemático
ASM1 para proyectar el desempeño biocinético del biorreactor en el comportamiento de los
microrganismos y su relación con los diferentes procesos que degradan la materia orgánica,
utilizando valores estequiométricos y cinéticos para procesos anaeróbicos y aeróbicos (Burger
et al., 2023). Dicha proyección consideró la tasa específica de crecimiento, fracción de muerte
y consumo de sustrato de bacterias autótrofas y heterótrofas con su incidencia en la temperatura
y la concentración de oxígeno disuelto en el birreactor del proceso de tratamiento secundario.
Además, el modelo ASM1 utiliza ecuaciones diferenciales de primer orden para representar la
dinámica de la oxidación de la materia orgánica mediante diversos microorganismos en el
reactor de lodos activados, resultando la siguiente expresión:
DQO fácilmente biodegradable:
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(Ss).
DQO lentamente biodegradable (Xs):
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De acuerdo a la visualización del área de estudio se determinó el espacio más cercano a las
canchas sintéticas del campus como sitio factible para implementar el PTAR, ya que cumple
con los aspectos necesarios para la ejecución del mismo.
3.1. Capacidad total diaria del caudal
Para la mejora del levantamiento del caudal medio, se estableció un punto de aforo en una de
las cajas de revisión, monitoreando 13 horas seguidas el efluente del campus. Se obtuvo como
resultados valores correspondientes al caudal oscilantes entre 0,16 y 0,39 (l/s), manteniendo
una variación de tiempo entre los 2 a 6 segundos. Como caudal final promedio se registró un
valor de 0,28 l/s (1,03 m3/h), además este método mejora sustancialmente la precisión del
resultado obtenido en función del caudal con respecto al tiempo garantizando que el área bajo
la curva sea el volumen acumulado diario que se divide para el tiempo de observación
(Mayoración et al., 2023).
Según (Rodríguez et al., 2010) en las cuencas urbanizadas, los problemas ambientales se
intensifican debido a la influencia de las actividades humanas y la utilización de los recursos
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
82
0
0.1
0.2
0.3
0 5 10 15
Caudal (m3/h)
Tiempo (horaS)
locales, tomando en cuenta este planteamiento los resultados obtenidos del registro de caudal
permiten entender el comportamiento del flujo de agua en el campus de la facultad.
3.2. Niveles de DQO
Mediante las pruebas de DQO se obtuvo valores oscilantes entre 5 y 10 [620 nm (g/l O2)],
teniendo un valor promedio de las 25 muestras de 5.82 mg/L. Cabe recalcar que las muestras
mantienen un rango horario que va de 8h00 hasta las 17h00. Los resultados obtenidos a partir
de la experimentación indican que las muestras 22, 14 y 23 presentan un nivel más elevado de
DQO, con valores de 10.3 g/m3, 9.8 g/m3 y 8.4 g/m3, respectivamente. Estos valores revelan
que durante el horario de 9 a 11 a.m. existe un mayor nivel de contaminación en el ambiente.
De tal modo que, en la figura 3 se puede observar una clara tendencia al aumento en el nivel
de DQO en dicho horario (Sánchez et al., 2023).
Figura 3. Campana de gauss de niveles de DQO.
3.3. Diseño de la Planta de Tratamientos de Aguas Residuales
3.3.1. Línea de Tratamiento
La línea de tratamiento utilizada para establecer los métodos depuradores adecuado del sistema
analizado de aguas residuales domésticas; parte desde el tanque ecualizador, sedimentador
primario, tanques anaerobios y finaliza en el tanque de cloración o la cámara de contacto.
3.3.2. Tanque ecualizador
Se calcularon las dimensiones apropiadas para un caudal promedio de 1.02 m3/h, un caudal
máximo de 1.28 m3/h, un volumen de 24.42 m3 y un factor de seguridad (en términos de
volumen) de 29.81 m3, utilizando las ecuaciones presentadas en el estudio. Estos resultados se
dimensionaron y se simularon generando los siguientes gráficos:
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Figura 4. a) Malla del tanque ecualizador y b) Simulación del tanque ecualizador.
De tal modo que, en la figura 4a se muestra la malla de simulación generada a partir de los
datos obtenidos con las ecuaciones, y en la figura 4b, se presenta la simulación donde se
muestra la escala de velocidad en el tanque entre 0.01 m/s hasta 1.2 m/s, proyectando un
correcto funcionamiento y garantizando un flujo laminar que avala la separación de arenas de
2.5 mm de diámetro y pequeños porcentajes de materia orgánica por arrastre, esto potencia la
eficacia de la remoción de los sólidos suspendidos en el agua residual (Herrera et al., 2024).
3.3.3. Sedimentador
Se determinaron las dimensiones del tanque sedimentador para las siguientes condiciones:
caudal máximo de 1.28 m3/h, velocidad de sedimentación de 0.82 m/s, diámetro de partícula
de 0.001 m, densidades del líquido y sólido de 1000 y 2500 kg/m3 respectivamente, viscosidad
de 0.001 kg/m*s y un volumen del tanque de sedimentación de 12.8 m3. Las dimensiones
encontradas son las siguientes: 10 h en TRH, 4 m2 en Área Superficial, 3m de altura, 1 m de
Ancho, 4 m de Largo, con un valor de 0.3 m/h en la Carga Hidráulica, 0,0001m/s en Velocidad
Horizontal y 16.33 m/s en Velocidad Horizontal Máxima.
Figura 5. Malla del tanque sedimentador primario
a)
b)
Inlet
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
84
Se muestra en la figura 5, la malla de simulación con mayor resolución de polígonos para tener
precisión en los resultados de la entrada de caudal, como resultado de la simulación en el área
baja del deflector de velocidad existe una zona de 0.4 m/s de velocidad generando una
turbulencia que impedirá que los sedimentos colmaten la entrada de agua; además, se puede
observar que en la decantación del tanque, la velocidad que predomina es de 0,2 m/s,
permitiendo una correcta sedimentación de los sólidos suspendidos; estos efectos se lograron
obtener al modificar el punto de entrada del afluente a 2.8m de altura respecto a la horizontal
en la simulación (Valle, 2019; Su et al., 2019).
3.3.4. Simulación de biocinética de Filtro percolador
Se establecieron las dimensiones del filtro de percolador tomando en cuenta una carga másica
de 178.79 kg/día, un caudal máximo de 1.28 m3/h y una carga contaminante de 5.82 kg/m3.
Los resultados de este análisis se presentan de la siguiente manera, 98.15 m3 en Volumen de
soporte, 1.8 (Kg/m*día) como Carga Orgánica de Trabajo, 19.63 m2 en Área Superficial, 2.5
m en Radio, 5 m de Altura, 1.55 m/día en Carga Hidráulica, 5820 g/m3 en DQO del Afluente,
0.81 g/m3 en DQO del Efluente, en Constante de tratabilidad 2.21 [(m*día)-0.5], Constante del
material con un valor de 0.5, en DQO del Efluente (recirculación) se obtuvo 0.54 g/m3 , Valor
de recirculación 0.5 y en eficiencia se encontró un 99.90%. Estos resultados destacan la
capacidad del sistema para degradar eficientemente los contaminantes presentes en las aguas
residuales y proporcionan una visión completa de la efectividad del Filtro Percolador en la
depuración de aguas residuales; además, se reducen costos de operación, costos de nitrificación
y desnitrificación según lo estudiado (Ostace et al., 2011).
Al aplicar la metodología ASM1 en la simulación biocinética, se estableció un cambio en la
entrada del caudal al tanque de oxidación anaeróbica, ubicado a 4 m de altura con respecto a la
horizontal, este cambio generó una mejor difusión molecular de oxígeno en la parte superior
del tanque provocando un efecto facultativo de los microrganismos anaerobios y aerobios de
las biopelículas del filtro percolador; los resultados obtenidos en la simulación del sustrato
fácilmente biodegradable (Ss) muestran una remoción del 99.75% en un periodo de 20 días
(Sánchez et al., 2023). A pesar de que este valor es menor al obtenido a través de las ecuaciones,
el margen de error es mínimo, con tan solo un 0.15%. Es importante mencionar que el valor
inicial estándar del Ss obtenido para el filtro percolador fue de 5820 mg/l, lo que demuestra
una eficiente reducción de la fracción de Ss a 15 mg/l. Los resultados de la simulación se
pueden observar en la figura 6a y 6b (Orjuela et al., 2023).
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a)
b)
Figura 6a. DQO [mg/L] Fácilmente
Biodegradable vs. Tiempo en Días.
Figura 6b. DQO [mg/L] lentamente
Biodegradable vs. Tiempo en Días.
La simulación del sustrato lentamente biodegradable (Xs) arrojó un valor inicial estándar de
5820 mg/l obtenido del filtro percolador. Durante un período de 10 días se pudo observar una
reducción de la fracción de Xs, la cual fue menor a 20 mg/l. Este resultado es importante porque
el Xs es un componente del agua residual que tarda más tiempo en ser biodegradable, lo que
hace que su tratamiento sea más difícil (Burguer et al., 2023; cieza et al., 2021).
3.3.5. Tanque Sedimentador Secundario
En un inicio las dimensiones del sedimentador secundario se determinaron mediante el uso de
ecuaciones establecidas previamente, teniendo en cuenta un caudal máximo de 1.28 m3/h, una
velocidad de sedimentación de 0.44 m/s, un diámetro de partícula de 0.001 m, una densidad
del fluido y del sólido de 1000 y 1800 kg/m3 respectivamente, una viscosidad de 0.001 kg/m*s
y un volumen del tanque sedimentador de 3.75 m3. Los resultados de estas ecuaciones son las
siguientes: 3 h en TRH, 1,25 m2 en Área Superficial, 3m de altura, 0.5 m de Ancho, 2.5 m de
Largo, 2m de altura la entrada del flujo, tiene un valor de 1 m/h Carga Hidráulica, 0,0002m/s
en Velocidad Horizontal y 8,71 m/s en Velocidad Horizontal Máxima.
Figura 7. a) Malla del tanque sedimentador secundario y b) Simulación del tanque
sedimentador secundario.
Xs (t)
Ss (t)
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
86
En la figura 7a y 7b, se muestra la malla de simulación y la escala de la velocidad del fluido
dentro del tanque. Los resultados obtenidos fueron desfavorables dado que la velocidad del
fluido fue adversa y excede la velocidad de sedimentación (0.44 m/s). Se propuso los siguientes
cambios para mejorar el desempeño del sistema; se acortó el tanque en el fondo y se aumentó
su longitud, manteniendo así el volumen y mejorando la eficiencia del tanque (Aguilar et al.,
2021). La reubicación del tanque sedimentador a la entrada del afluente a una altura de 1,7 m,
provocó sustancialmente un cambio en la dinámica del fluido, predominando una velocidad de
paso 0.25 m/s en el recorrido del agua residual como se indica en la figura 8, estos resultados
garantizan la adecuada remoción del contaminante, optimizando costos de implementación y
área del proyecto.
Figura 8. Simulación del tanque sedimentador secundario.
3.3.6. Tanque de cloración
Con respecto al tanque de cloración se presentan las dimensiones, resaltando que los valores
se obtuvieron a partir de las ecuaciones establecidas anteriormente: 1 h en TRH, 1.28 m3en
Caudal Punta, Volumen 1.5 m3, 1.5 m de Altura, 1 m de Ancho, 1 m de Largo, Área Superficial
en 1 m2.
Figura 9. a) Malla del tanque de cloración y b) Simulación del tanque clarificador.
b)
a)
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En la figura 9a y 9b, los resultados de la simulación fueron negativos debido a que no existe
una velocidad significativa que permita la mezcla entre el líquido y el cloro, por lo que fue
necesario cambiar el volumen del tanque de 1.5 m3 a 0.4 m3 y el diámetro de la entrada del
afluente de 0.72-0.2 mm, creando una especie de cono. En este caso, se utilizó el principio de
Bernoulli para mejorar la velocidad de mezcla del fluido con el cloro generando diseños que
aproveche el comportamiento hidráulico para mezcla de agentes químicos (Medina S. et al.,
2017).
Figura 10. Simulación del tanque de cloración con las dimensiones modificadas.
En la figura 10, la simulación del tanque de cloro se presenta con dimensiones modificadas,
donde se puede observar que al implementar una baja del área del inlet se logró aumentar la
velocidad de entrada del líquido creando un vórtice que permitió la homogeneización del cloro
(Duque et al., 2023; Robles et al., 2023).
4. CONCLUSIÓN
Luego de determinar la simulación del filtro de flujo, se concluye que la remoción de los niveles
de DQO es del 99.75%. Mediante la simulación se pudo diagnosticar que las dimensiones
obtenidas del tanque homogeneizador y ecualizador con un volumen de 29.81 m3 y la
configuración primaria son suficientes para regular el flujo de sólidos y, en consecuencia,
decantar la materia sedimentable y la materia orgánica.
El tanque sedimentador secundario sobrepasa la velocidad de sedimentación que es de 0.4 m/s
y el tanque de desinfección no alcanza la velocidad precisada que es de 0.2 m/s para la
homogeneización del cloro, por lo que fue necesaria la modificación geométrica generando un
cono que utiliza el principio Venturi llegando a velocidades de 0.9 m/s suficientes para la
mezcla rápida del desinfectante.
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
88
Las mejoras en el tanque de cloración, en los sedimentadores y filtro percolador permitirán
aprovechar el principio Venturi para la mezcla rápida del desinfectante en el clorador, aumentar
la eficiencia de remoción en los sedimentadores debido a la baja velocidad de paso que fue
determinada con las nuevas mediadas simuladas y finalmente el filtro percolador mejoró su
rendimiento al trabajar con fracciones de difícil biodegradabilidad fundamentadas en la matriz
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