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10 Febrero 2016: Estudio CI²MA optimiza procesos de tratamiento de aguas servidas

Julio Careaga Solís obtuvo recientemente el título profesional de Ingeniero Civil Matemático de la Universidad de Concepción tras presentar los resultados obtenidos en su estudio Modelamiento matemático y simulación numérica de sedimentadores con área variable en plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS)”, apoyado por el proyecto Fondecyt 1130154 de CONICYT, realizado al alero del Centro de Investigación en Ingeniería Matemática, CI²MA, y por el que obtuvo la nota máxima.

La investigación está relacionada con una importante etapa del llamado “proceso de lodo activado”, es decir, del tratamiento de aguas residuales mediante la mezcla con microorganismos, en un reactor y posterior recuperación de un desagüe clarificado en un sedimentador. El modelamiento, el diseño y el control de reactores y sedimentadores dan origen a modelos matemáticos no lineales. El análisis y la solución numérica de estos modelos requiere de conocimiento matemático especializado, el cual está siendo desarrollado por un grupo de investigadores del CI²MA y también del Centro de Recursos Hídricos para la Agricultura y la Minería (CRHIAM), ambos de la UdeC. El trabajo de Careaga es fruto de su inmersión en esta línea de investigación. 

En la investigación, se presenta la comparación de dos métodos numéricos para la resolución de un problema de sedimentación no reactiva para plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) con área de sección transversal variable. La comparación es motivada por la diferencia en la eficiencia de ambos métodos. Se presentan simulaciones para tanques con diferentes tipos de geometría y se compara las soluciones aproximadas obtenidas por ambos métodos, y también se realiza un estudio sobre la convergencia de ellos. Además, se presenta un modelo reducido para el proceso de sedimentación reactiva tipo batch, y se muestra un método numérico para la aproximación de la solución, involucrando ingredientes desarrollados para el caso no reactivo. Se presentan simulaciones obtenidas a partir del método numérico propuesto bajo diferentes condiciones iniciales; test de Kynch, test de Diehl y test de lodos sobrecomprimidos. Y se efectúa una breve comparación del comportamiento de la degradación del nitrato para las simulaciones obtenidas del test de Kynch y test de Diehl”, señaló Careaga, quien está a la espera de poder postular a financiamiento para realizar un doctorado en el Universidad de Lund, Suecia, bajo la guía del profesor Stefan Diehl. “Ésa es la meta por ahora, para poder trabajar en la misma área de la sedimentación, generando líneas nuevas a partir de las conclusiones de la investigación, buscando extensiones que permitan comparar el método con otros, en 2D o en 3D”, explica el nuevo ingeniero. 

El profesor guía de su investigación, Dr. Raimund Bürger, destacó la capacidad investigativa de Careaga. “Julio colaboró con otros investigadores del CI²MA, y fue capaz de simular escenarios, por lo que resultó muy eficiente. Además, propuso cambios de parámetros a nuestros colaboradores internacionales. Esperamos que pueda ingresar al doctorado, abordando los resultados de su investigación que, por ser completamente originales respecto de los métodos tradicionales, a nuestro juicio, merecen ser publicados. Además, los dos modelos que él abordó pueden ser combinados, lo que sería un gran aporte, desde el punto de vista de la aplicación, porque, en lo matemático, el desafío está en el desarrollo de métodos de simulación eficientes”, enfatizó el también subdirector del CI²MA.

El profesor Stefan Diehl (U. de Lund), es un estrecho y antiguo colaborador de trabajos anteriores de su colega del CI²MA, Raimund Bürger, sobre problemas de sedimentación. A partir de las conclusiones surgen muchas de las ideas que dieron forma al estudio que ahora encabezó Careaga. “Su trabajo contiene ideas de proyectos de científicos internacionales y las suyas propias. La calidad de su trabajo es sobresaliente y tiene una proyección internacional interesante. Tuve la oportunidad de trabajar con él a distancia y, también personalmente, en el contexto del reciente encuentro internacional WONAPDE 2016 (Fifth Chilean Workshop on Numerical Analysis of Partial Differential Equations, sostenido en la UdeC desde el 11 al 15 de enero), donde Julio expuso exitosamente sus resultados ante investigadores de gran nivel, provenientes de diversos países. Espero poder colaborar con él más directamente a futuro, dada la coincidencia que tenemos en temas de interés para investigación”, explicó el especialista.

Respecto de la utilidad concreta de los resultados de la investigación, Careaga destaca que “se pueden simular distintos escenarios, con distintas condiciones de alimentación y descarga, distintos valores para los caudales de extracción, ya que se obtiene datos relevantes acerca de las concentraciones que se registran en el proceso de sedimentación. Puede servir para que las compañías que trabajan en esta área puedan anticiparse, actuar proactivamente ante diversos escenarios, además de evaluar oportunamente el rediseño de sus plantes de tratamiento”, detalló el ingeniero.

 

Figura 1
Figura 1:
Diagrama o descripción grafica del proceso de sedimentación continua en un tanque con área de sección transversal, variable con respecto a la profundidad. Se detalla los siguientes elementos:

  • mecanismo de alimentación: caudal de alimentación Qf (feed), asociado al nivel de alimentación (z=0).
  • mecanismo de extracción de agua clara: caudal desborde, Qe (efluent) asociado de desborde (z=-H).
  • mecanismo obtención de lodo sedimentado o de alta concentración: caudal de descarga, Qu (underflow), asociado al nivel descarga (z=B).

 

Figura 2

Figura 2:
Representación gráfica de un corte transversal vertical, de un tanque con forma de cono truncado, convergente con respecto a la profundidad. Indica:

  • Los tres niveles descritos en Figura 1. H=1 metro y B = 3 metros
  • Eje central del sedimentador (línea verde)
  • Longitudes de radios máximo y mínimo de circunferencia del sedimentado. 

Figura 3:
Representación de la simulación del estudio de la concentración (C) con respecto a la profundidad (z) del sedimentador, para valores de tiempo (t) entre 0 y 600 horas o 25 días; donde el color azul representa valores de concentración menores, y el rojo representa altos valores de concentración.

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