Estudio de la hidrodinámica y eliminación de coliformes fecales en la laguna de maduración de la depuradora de aguas residuales de la ciudad de Portoviejo, Ecuador, mediante modelos CFD con OpenFoam

Abstract

[ES] La planta de tratamiento de la ciudad de Portoviejo en Ecuador está compuesta por un sistema de lagunas aireadas, facultativas y de maduración. El incremento de la población ha ocasionado un aumento en las cargas orgánicas afluentes a la depuradora, provocando una reducción en su eficiencia operativa, comprometiendo la calidad del efluente. La laguna de maduración, cuya función principal es la remoción de patógenos, actualmente opera al límite de su capacidad. El nivel de coliformes fecales en periodos anteriores han incumplido con la normativa ambiental local vigente para descargas a cuerpos de agua dulce (2000 NMP/100ml) , por lo tanto, un incremento de caudales puede comprometer los limites de vertido. Adicionalmente , los terrenos agricolas aledaños son regados con una parte del efluente de la laguna de maduración, por lo que el agua destinada para este fin no esta cumpliendo la normativa local para uso agricola (1000 NMP/100ml). El objetivo de esta investigación es el análisis hidrodinámico de la laguna y su efecto en la eliminación de coliformes fecales, para definir su estado actual, identificar problemas y proponer mejoras. El estudio se realiza a través de modelos CFD (Computacional Fluid Dynamics), utilizando el software libre OpenFoam V.8.0. Para el preprocesamiento de los modelos se utiliza el software de uso libre SALOME 9.5, con el cual se consigue el mallado de la laguna. Para comprobar la fiabilidad de los modelos, se aplican técnicas de comprobación de calidad de la malla, independencia de la malla y comprobación de convergencias. La hidrodinámica de la laguna se determina aplicando el estudio DTR (Distribución de Tiempo de Retención), a partir de la modelación del ensayo de un trazador inerte de tipo pulso. Con el fin de identificar parámetros tales como el patrón de flujo, tiempo de retención medio, porcentaje de zonas muertas, existencia de cortocircuitos hidráulicos y recirculaciones. El modelo de remoción de coliformes fecales mediante la simulación CFD, trabaja sobre los campos locales hidrodinámicos y biológicos, proporcionando las concentraciones en cada localización de la laguna. El estudio pretende demostrar las ventajas de utilizar modelos CFD para calcular la concentración de coliformes fecales en el efluente de la laguna, frente al uso de modelos empíricos existentes en bibliografía que asumen un patrón de flujo para su cálculo. Tanto en el modelo DTR como en la eliminación de coliformes, se emplea la técnica de ¿congelamiento¿. En esta técnica primero se realiza la modelación hidrodinámica en estado estacionario, para obtener los campos de velocidad y turbulencia. Posteriormente con los resultados obtenidos en el primer modelo, se simula el transporte transitorio del trazador inerte y de los coliformes fecales. Para el modelo estacionario se utiliza el solucionador ¿simpleFoam¿, el cual utiliza el algoritmo SIMPLE para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes y se emplea el modelo de turbulencia k-epsilon. La simulación DTR y de eliminación de coliformes es calculada a partir de librerías donde se modifica el solucionador ¿scalarTransportFoam¿. En el modelo DTR , se introduce el efecto de turbulencia en la dispersión para el transporte del trazador inerte. Mientras que, en el modelo de coliformes se incluye en la ecuación de transporte el término sumidero correspondiente a la eliminación de coliformes, a partir de una reacción biológica con una cinética de primer orden. La remoción de coliformes fecales en la laguna de maduración tiene relación con el comportamiento hidrodinámico de la misma. Por lo tanto, se pretende modificar la geometría de la laguna con el fin de solventar las deficiencias hidrodinámicas encontradas. Los resultados de las simulaciones realizadas, permitirán evaluar las mejoras conseguidas con las modificaciones propuestas, en efectos de eliminación de coliformes fecales.

[EN] The wastewater treatment plant of Portoviejo city in Ecuador consists of a system of aerated, facultative and maturation ponds. The increase in population has led to an increase in the organic loads entering the treatment plant, causing a reduction in its operating efficiency and compromising the quality of the effluent. The maturation pond, whose main function is to remove pathogens, is currently operating at the limit of its capacity. The fecal coliform levels in previous periods have not complied with local environmental regulations for discharges into freshwater bodies (2000 NMP/100ml), so an increase in flow rates could compromise discharge limits. In addition, the surrounding agricultural lands are irrigated with part of the effluent from the maduration pond, so the water used for this purpose does not comply with local regulations for irrigation use (1000 NMP/100ml). The objective of this research is the hydrodynamic analysis of the pond and its effect on the elimination of fecal coliforms, to define its current state, identify problems and propose improvements. The study is carried out through CFD (Computational Fluid Dynamics) models, using the free software OpenFoam V.8.0. For the preprocessing of the models, the free software SALOME 9.5 is used, with which the meshing of the pond is achieved. To check the reliability of the models, mesh quality checking, mesh independence and convergence checking techniques are applied. The hydrodynamics of the pond is determined by applying the DTR (Retention Time Distribution) study, based on the modeling of a pulse-type inert tracer test. In order to identify parameters such as flow pattern, average retention time, percentage of dead zones, existence of hydraulic short circuits and recirculations. The fecal coliform removal model using CFD simulation works on the local hydrodynamic and biological fields, providing the concentrations at each location of the pond. The study aims to demonstrate the advantages of using CFD models to calculate the concentration of fecal coliforms in the effluent, compared to the use of existing empirical models in the literature, which assume a flow pattern for its calculation. Both in the DTR model and in the elimination of coliforms, the "freezing" technique is used. In this technique, first the steady state hydrodynamic modeling is performed to obtain the velocity and turbulence fields. Subsequently, with the results obtained in the first model, the transient transport of the inert tracer and fecal coliforms is simulated. For the stationary model, the ¿simpleFoam¿ solver is used, which uses the SIMPLE algorithm to solve the Navier-Stokes equations and the k-epsilon turbulence model is employed. The DTR and coliform removal simulation is calculated from libraries where the ¿scalarTransportFoam¿ solver is modified. In the DTR model, the effect of turbulence in the dispersion is introduced for the transport of the inert tracer. While, in the coliform model, the source term corresponding to the removal of coliforms from a biological reaction with first order kinetics , is included in the transport equation. The removal of fecal coliforms in the maturation pond is related to the hydrodynamic behavior of the pond. Therefore, it is intended to modify the geometry of the pond in order to solve the hydrodynamic deficiencies found. The results of the simulations will allow to evaluate the improvements achieved with the proposed modifications, in terms of fecal coliform elimination.