Aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional a la simulación y optimización de biorreactores multi-ambiente para tratamiento de aguas residuales | Application of Computational Fluid Dynamics to the simulation and optimization of multi-environment bioreactors for wastewater treatment

RESUMEN: 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 por ello que, 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. Los resultados obtenidos en este trabajo han contribuido al desarrollo tecnológico y operacional de AnoxAn.

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. The results obtained in this work have contributed to the development of technological and operational improvements of AnoxAn.

A la Universidad de Cantabria primero (PRE03, CVE-2016-11670), y al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte del Gobierno de España después (FPU16-05036), por proporcionarme mediante beca la financiación necesaria para la consecución de esta tesis doctoral.