Análisis de la hidrodinámica en un reactor biológico innovador para depuración de aguas residuales mediante modelización

Abstract

RESUMEN:

En el presente trabajo se ha analizado mediante modelización y simulación el comportamiento hidrodinámico de un reactor biológico innovador para eliminación de nutrientes de aguas residuales, denominado AnoxAn. En AnoxAn se integran las zonas anaerobia y anóxica necesarias en el proceso de eliminación biológica de nitrógeno y fósforo. El reactor, de flujo ascendente y lecho de fangos, está divido verticalmente con la zona anaerobia anaerobia en el fondo y la anóxica encima. Esta zona anóxica recibe una recirculación rica en nitratos de un posterior reactor aerobio, proporcionando las condiciones para la desnitrificación, mientras que la separación hidráulica entre zonas en el interior del reactor ha de garantizar ausencia de nitratos en la zona anaerobia. Para ello se emplean sistemas de agitación específicos complementados con deflectores. Se ha empleado la Dinámica de Fluidos Computacional para construir y simular un modelo en 2D del reactor. En primer lugar se ha analizado el comportamiento hidráulico sin agitación, para posteriormente incorporar el funcionamiento continuo e intermitente de agitadores. Se ha observado que el funcionamiento intermitente del agitador anóxico es el elemento del sistema que supone un mayor coste y dificultad computacional, y por ello se han comparado diferentes algoritmos de resolución para seleccionar el que mejor se ajuste al caso de estudio. Esto ha permitido optimizar el modelo, reduciendo el tiempo de resolución más de un 50% obteniendo los mismos resultados. Los principales resultados muestran que cuando ambos agitadores están en funcionamiento se consigue una elevada separación hidráulica entre las zonas anóxica y anaerobia. Esta separación se debe sobre todo a la alta velocidad de succión de los agitadores. La influencia del Tranquilizador BLAS y sobre todo del deflector es pequeña, a diferencia de lo que cabía esperar. En cambio, cuando el agitador anóxico deja de funcionar, la fuerte succión que genera el agitador anaerobio influye sobre todo el compartimento superior, mezclando el contenido de la zona anóxica en la zona anaerobia. Se concluye que la separación hidráulica entre las zonas anóxica y anaerobia se debe en gran medida a la velocidad de succión que generan los agitadores y en menor medida a la influencia del deflector y tranquilizador, produciéndose una mayor eficacia en dicha separación cuando ambos agitadores se encuentran en funcionamiento.

ABSTRACT: In this paper it has been analysed the hydrodynamic behaviour of an innovative biological reactor for nutrient removal in wastewater treatment called AnoxAn by modelling and simulating. AnoxAn integrates the aerobic and anaerobic zones needed for phosphorus and nitrogen biological removal. The reactor, with upflow operation and sludge blanket, is divided vertically with the anoxic zone up the anaerobic. The anoxic zone receives a nitrate-rich recycle from a subsequent aerobic reactor, giving the denitrification conditions while the hydraulic separation between the zones in the reactor must guarantee the absence of nitrates in the anaerobic zone. To reach this objective, they are used baffles and deflectors. It has been used Computational Fluid Dynamics to build and simulate a 2D model of the reactor. Firstly, it has been analysed the hydrodynamic behaviour without agitation, and then, the intermittent behaviour of baffles has been added. It has been observed that the intermittent operation of the anoxic baffle is the element that supposes the biggest computational difficulty, and therefore have been compared different algorithms to select the resolution that suits best the study case. This has enabled to optimize the model, reducing the resolution time more than 50% reaching the same results. The mains results show that when both baffles are working at the same time, the system reaches a high hydraulic separation between the anoxic and anaerobic zones. However, when the anoxic baffle stops its operation, the high suction of the anaerobic baffle influences the entire upper compartment, mixing the contents of the anoxic zone in the anaerobic zone. In conclusion, the hydraulic separation between the anoxic and anaerobic zones can be reached because of the high suction velocity of the baffles, being the deflector and the soothing less important for this purpose than expected and reaching the highest efficiency when both baffles, anoxic and anaerobic, are working simultaneously.