Aplicación de la dinámica de fluidos computacional a la simulación y optimización de biorreactores multi-ambiente para tratamiento de aguas residuales

Abstract

Multi-environment reactors are an innovative alternative to simplify conventional Biological Nutrient Removal (BNR) treatment trains as they are more compact and can adapt to existing quality requirements. Concretely, AnoxAn unifies the anaerobic and anoxic zones of conventional BNR processes in a continuous upflow sludge blanket reactor. However, the multi environmental zoning and singular elements configuration give rise to a complex hydrodynamic behaviour that interferes in the desired biological operation of the reactor. Therefore, in this thesis, a comprehensive hydrodynamic assessment of AnoxAn is carried out, and the influence of the hydraulic behaviour on the biological efficiency of the process is evaluated. For that purpose, a Computational Fluid Dynamics (CFD) based numerical tool is developed with the open source toolbox OpenFOAM®, and a hydrodynamic optimization methodology for multi-environment reactors is proposed. Chapter 1 introduces the topic of this thesis and places it within the context of the current scientific research. Chapter 2 presents the state of the art and the theoretical basis regarding the hydrodynamic analysis of multi-environment reactors for wastewater treatment. Based on the findings and conclusions of the revision of the state of art, the scope and objectives of the thesis are presented in Chapter 3. The next four chapters (Chapters 4-7) are the main contribution of the thesis. In Chapter 4, the numerical CFD tool developed in this work is presented. This tool includes several features that are not available in the original source code of OpenFOAM®. In Chapter 5, the numerical CFD tool developed in the previous chapter is applied to the hydrodynamic simulation, validation and analysis of the AnoxAn reactor. Once the hydrodynamic behaviour of the AnoxAn original prototype has been comprehensively analysed, the next step is to carry out the optimization of the reactor. In this regard, in Chapter 6, a standardized hydrodynamic optimization methodology for multi environment reactors is developed combining CFD and dimensional analysis. Then, the applicability of the methodology is tested in AnoxAn. After the optimization study of the AnoxAn reactor, the influence of the hydrodynamic behaviour on the biological efficiency of the process is assessed in Chapter 7. Finally, Chapter 8 presents the general conclusions and recommendations for future research of this doctoral thesis. This research work has evidenced that higher slenderness AnoxAn configurations are preferred since they present a higher hydrodynamic, and therefore, biological efficiency. In addition, for the same theoretical treatment capacity (i. e., the same volume), high slenderness configurations present a smaller surface requirement compared to the configurations with lower slenderness. However, the configurations with higher slenderness give rise to reactors with less usual shapes and less studied in literature, since the implementation of several units of these configurations would cause larger length/width ratios. This aspect could be a disadvantage when proposing the layout of a new reactor implementation. In particular, it could be a handicap when reusing reactors in cases of retrofitting or upgrading existing treatment plants. Depending on the land availability or constructive limitations and requirements, slenderness (and consequently hydraulic separation) of the reactor could be reduced depending on the design influent nitrogen loads.

Los reactores multi-ambiente representan una alternativa innovadora para simplificar los trenes de tratamiento convencionales de Eliminación Biológica de Nutrientes (EBN), ya que son más compactos y pueden adaptarse a los requerimientos de calidad existentes. En concreto, el reactor AnoxAn es capaz de integrar las zonas anaerobia y anóxica del proceso convencional de EBN en un único reactor de flujo ascendente. Sin embargo, su zonificación multi-ambiental y la configuración de elementos singulares dan lugar a un comportamiento hidrodinámico complejo que interfiere en el funcionamiento óptimo del reactor. En este contexto, en la presente tesis doctoral, se realiza un análisis exhaustivo de la hidrodinámica de AnoxAn, así como un estudio la influencia de la misma en la eficiencia biológica del proceso. Para ello, se desarrolla una herramienta numérica basada en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con el software de código abierto OpenFOAM®, y se propone una metodología para la optimización hidrodinámica de reactores multi-ambiente. El Capítulo 1 introduce la temática de la tesis y enmarcándola dentro del contexto de la investigación científica actual. El Capítulo 2 presenta el estado del arte y las bases teóricas del análisis hidrodinámico de reactores multi-ambiente para tratamiento de aguas residuales. En base a lo concluido en la revisión del estado del arte, en el Capítulo 3, se definen el alcance y los objetivos de la tesis doctoral. Los siguientes cuatro capítulos (Capítulos 4-7) forman la contribución principal de la tesis doctoral. En el Capítulo 4, se presenta la herramienta numérica CFD desarrollada en este trabajo, la cual incluye varias aplicaciones de las que no dispone el código original de OpenFOAM®. En el Capítulo 5, la herramienta numérica CFD desarrollada se aplica a la simulación, validación y análisis hidrodinámicos de AnoxAn. Una vez realizado un análisis exhaustivo del comportamiento hidrodinámico del prototipo original de AnoxAn, el siguiente paso es proceder a su optimización. Para ello, en el Capítulo 6, se desarrolla una metodología estandarizada para la optimización hidrodinámica de reactores multi-ambiente combinando CFD y análisis dimensional, y, a continuación, se comprueba su aplicabilidad para el caso específico de AnoxAn. Después del estudio de optimización de AnoxAn, en el Capítulo 7, se procede a evaluar la influencia de la hidrodinámica en el comportamiento biológico del proceso. Por último, el Capítulo 8 presenta las conclusiones generales de la presente tesis doctoral, así como recomendaciones para la investigación futura. Este trabajo de investigación ha evidenciado que las configuraciones de AnoxAn con mayor esbeltez son preferibles a aquellas menos esbeltas, ya que muestran mayor eficiencia hidrodinámica, y, por tanto, biológica. Además, para una misma capacidad teórica de tratamiento (mismo volumen), las configuraciones con mayor esbeltez presentan una necesidad menor de superficie en planta. Sin embargo, estas configuraciones dan lugar a reactores con una geometría inusual y menos estudiada en la bibliografía, ya que la implementación de varias unidades implicaría mayores ratios largo/ancho. Este aspecto podría suponer una desventaja a la hora de diseñar o proyectar la implementación de nuevos reactores, constituyendo un hándicap cuando se deseen reutilizar reactores existentes en aquellos casos en los que se necesite la ampliación de plantas de tratamiento. Dependiendo de la disponibilidad de terreno, y/o de las limitaciones y requerimientos constructivos, la esbeltez (y por lo tanto la separación hidráulica) del reactor puede ser reducida en función de la carga de nitrógeno afluente de diseño.