Aplicación de un modelo de dinámica de fluidos computacional para diseñar tanques de floculación vertical de tratamiento de agua

Abstract

El proceso de floculación es una de las etapas más importantes dentro de los procesos que intervienen en una planta de tratamiento de agua potable. Un diseño inadecuado del sistema de floculación no solo impactará de forma negativa sobre la eficiencia de la unidad, sino además sobre la eficiencia de las unidades de tratamiento siguientes, lo cual comprometerá la calidad final del agua tratada. En este contexto, el presente trabajo de investigación se enfocó en estudiar a profundidad el comportamiento hidrodinámico de los floculadores hidráulicos de pantallas de flujo vertical con el propósito de mejorar su diseño. Esto se consiguió mediante la aplicación del programa de dinámica de fluidos computacional FLOW-3D. En la etapa inicial de este estudio se realizó el dimensionamiento de 256 unidades de floculación vertical, aplicando la norma OS.020 del Reglamento Nacional de Edificaciones y las pautas de diseño del CEPIS, las cuales se obtuvieron al considerar diferentes escenarios de gradientes de velocidad de diseño (30 s-1 - 90 s-1), tiempos de retención (3 min - 9 min), alturas de agua (3 m - 6 m) y longitudes de tanque (4,5 m - 9 m). En la etapa siguiente, se desarrolló el proceso de simulación del grupo de unidades anteriormente diseñadas aplicando el modelo de dinámica de fluidos computacional FLOW-3D. Para ello, inicialmente se realizó la validación del modelo utilizando datos numéricos de velocidad (validados experimentalmente) extraídos de un estudio similar. Seguidamente, se determinaron los valores de gradiente de velocidad e índices de eficiencia hidráulica (Morrill y θ10) para cada unidad de floculación vertical. Posteriormente, los resultados obtenidos fueron resumidos en múltiples gráficos en donde se analizó como la modificación de los parámetros de diseño influye sobre la eficiencia de las unidades, encontrando mejoras del orden del 40 %. Finalmente, se propusieron algunas expresiones en función de los parámetros de diseño, obtenidas mediante regresiones lineales múltiples, para la determinación del gradiente de velocidad promedio y de los índices de eficiencia hidráulicos. Estos resultados serán de ayuda para una mejor selección de los parámetros de diseño, con el fin de orientar a los diseñadores hacia diseños futuros de unidades de floculación vertical mucho más eficientes.

The flocculation process is one of the most important stages within the processes involved in a drinking water treatment plant. An inadequate design of the flocculation system will not only have a negative impact on the efficiency of the unit, but also on the efficiency of the following treatment units, which will compromise the final quality of the treated water. In this context, the present research work focused on studying in depth the hydrodynamic behavior of the hydraulic flocculators of vertical flow screens with the purpose of improving their design. This was achieved by applying the FLOW-3D computational fluid dynamics program. In the initial stage of this study, the dimensioning of 256 vertical flocculation units was carried out, applying the OS.020 standard of the National Building Regulations and the CEPIS design guidelines, which were obtained by considering different scenarios of velocity gradients of design (30 s-1 - 90 s-1), retention times (3 min - 9 min), water heights (3 m - 6 m), and tank lengths (4,5 m - 9 m). In the next stage, the simulation process of the group of previously designed units was developed using the FLOW-3D computational fluid dynamics model. For this, the validation of the model was initially carried out using numerical speed data (experimentally validated) extracted from a similar study. Next, the velocity gradient values and hydraulic efficiency indices (Morrill and θ10) were determined for each vertical flocculation unit. Subsequently, the results obtained were summarized in multiple graphs where it was analyzed how the modification of the design parameters influences the efficiency of the units, finding improvements of the order of 40 %. Finally, some expressions were proposed based on the design parameters, obtained through multiple linear regressions, for the determination of the average velocity gradient and the hydraulic efficiency indices. These results will be helpful for a better selection of design parameters, in order to guide designers towards future designs of much more efficient vertical flocculation units.