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El diseño actual de reactores para el tratamiento biológico de aguas residuales está enfocado a desarrollar nuevos procesos con una óptima capacidad de eliminación, un bajo coste económico en consumo de materias primas y energía, y un mínimo impacto ambiental. Los modelos matemáticos y la simulación pueden ayudar a determinar y validar los parámetros claves de diseño, reduciendo así la duración de los trabajos experimentales de I+D+I. Sin embargo, aún es preciso incrementar la capacidad computacional de estas herramientas y superar las limitaciones de algunos modelos actuales, como por ejemplo la asunción de una mezcla perfecta.
Resultados de simulación CFD para un reactor de microbial fuel cells con un electrodo de grafito y un electrodo de grafito granular MFC reactor y un reactor Anammox.
La tesis Integrating computational fluid Dynamics and biological models to assess wastewater reactor design de Albert Vilà Rovira ha integrado modelos biológicos –en concreto, modelos de lodos activados (ASM, activated sludge models)– con herramientas de simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD, computational fluid dynamics), y las ha aplicado al diseño de dos tecnologías avanzadas para el tratamiento de aguas residuales: las microbial fuel cells o pilas bioelectroquímicas y el proceso Anammox.
Los sistemas de tratamiento de aguas residuales basados en microbial fuel cells aprovechan la actividad catalítica bioelectroquímica de determinados microorganismos para oxidar compuestos orgánicos y producir electricidad sin necesidad de adicionar compuestos químicos. En el proceso Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) los protagonistas también son los microorganismos, en este caso para eliminar de forma autotrófica compuestos de nitrógeno reduciendo así la cantidad de lodos generados y las necesidades de aeración. El investigador ha realizado la tesis doctoral en el grupo LEQUIA de la Universitat de Girona, con un gran recorrido en proyectos de investigación experimental y contratos de transferencia para optimizar estas dos tecnologías. Ello le ha permitido interaccionar con investigadores expertos en estas tecnologías y conocer de cerca su implementación a escala industrial.
Los resultados obtenidos demuestran que el potencial de integrar la dinámica de fluidos computacional y los modelos biológicos para diseñar reactores biológicos de tratamiento de aguas residuales es muy alto. Entre los parámetros que se han estudiado destaca la influencia de la configuración del reactor en la distribución del sustrato y en las velocidades de eliminación de nutrientes. En el caso de las microbial fuel cells, se han evaluado varios materiales para el electrodo y se ha considerado la geometría, composición y propiedades eléctricas. La utilización de grafito granular y una malla de acero inoxidable ha resultado favorecer la distribución del flujo a través del ánodo, siendo la última opción la más válida por sus propiedades eléctricas y su bajo coste. En cuanto al proceso Anammox, se ha demostrado que el uso de platos internos favorece la distribución del flujo y que la introducción de corrientes de alimentación laterales a lo largo de la columna del reactor aumentaría la velocidad de eliminación de compuestos de nitrógeno. Para obtener resultados de simulación más fiables se podría incluir una fase sólida que representase el lodo involucrado en el proceso biológico.
La tesis de Albert Vilà, dirigida por los doctores Jesús Colprim, Maria Dolors Balaguer y Maël Ruscalleda incentiva a continuar investigando para que la dinámica de fluidos computacional y los modelos se integren sistemàticament en el diseño de reactores biológicos de tratamiento de aguas residuales.
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