https://doi.org/10.61236/renpys.v3i1.627
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. 42-56)
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42
Publicación Semestral. Vol. 3, No. 1, enero-junio 2024, Ecuador (p. 42-56). 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 Molina1, Ámbar Pamela Oña Chuquimarca1, Patricia Priscila Maldonado
Campaña2
1
Universidad Técnica de Cotopaxi, Facultad de CAREN, Ingeniería Ambiental, Latacunga, Cotopaxi, Ecuador.
2 Universidad 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 MO de las
depuradoras hídricas son muy útiles para el análisis de matriz ASM1 en la aplicación de biocinética en el
funcionamiento de la línea de trabajo del sistema. Las pruebas pilot 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
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
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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43
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
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 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 utilizada 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
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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 domésticas a través
de la simulación computacional de fluidos dinámica
(CFD) en función de mejorar el desempeño en la
remoción de materia orgánica.
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 adapta al
volumen que pasa por un punto de aforo durante 10
horas de monitoreo (García., 2003).
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
69
45
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 de
DQO, metodología adaptada de HANNA Instruments
para el año 2021. A su vez se tuvo una repetitividad de
observación de cuatro semanas con el fin de descartar
datos atípicos adaptados 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).
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)
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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:
: 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)
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
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
71
47
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 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
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.
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
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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
microorganismos 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:
(Ss).
● DQO lentamente biodegradable (Xs):
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De acuerdo con 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 obtuvieron como resultados valores
correspondientes al caudal oscilante 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 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
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
73
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 5 10 15
Caudal (m3/h)
Tiempo (horaS)
49
que va de 8h00 hasta 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:
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
a)
b)
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70
50
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
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 (Medina, 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 microorganismos 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).
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
Inlet
Xs (t)
Agreda, J., Carrera, D., Oña, A., Maldonado, P.
86
51
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.
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.
a
b
)
b)
a)
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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. 42-56)
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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 aprovechan 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. 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 medidas simuladas y
finalmente el filtro percolador mejoró su rendimiento
al trabajar con fracciones de difícil biodegradabilidad
fundamentadas en la matriz ASM1.
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