Hace algunas semanas, Romel Pineda Frias se convirtió en la septuagésima persona en alcanzar el máximo grado académico en el Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas con mención en Ingeniería Matemática de la Universidad de Concepción, UdeC. 

El ingeniero matemático de la U. Central del Ecuador (Quito, Ecuador), lo hizo al defender exitosamente su tesis titulada ‘Modelos de Sedimentación Reactiva para el Tratamiento de Aguas Servidas’ en que contó con la dirección del académico de la UdeC Dr. Raimund Bürger y la codirección de los Dres. Julio Careaga (Radboud University, Nimega, Países Bajos) y Stefan Diehl (Lund University, Suecia).

El ahora Dr. Pineda explica que su trabajo de tesis “se centró en el desarrollo de un modelo fisicomatemático de sedimentación reactiva para reactores por lotes secuenciales (SBRs por sus siglas en inglés)”. 

“La sedimentación reactiva”, detalla, “es la combinación del proceso mecánico de sedimentación de pequeñas partículas que están inmersas en un fluido (que contiene agua y sustratos) y reacciones biológicas que ocurren simultáneamente entre las partículas y el sustrato. Las partículas vienen siendo microorganismo que degradan la materia orgánica y eliminan los nutrientes (nitrógeno) presentes en el agua residual”. 

Explica que, entre los temas tratados en su investigación de postgrado, destacan “el desarrollo de un modelo matemático unidimensional moderno y la implementación de esquemas numéricos para la sedimentación reactiva en los SBRs. La operación de funcionamiento del SBR es de forma secuencial, el que contempla un ciclo de cinco etapas diferentes de operación: llenado, reacción, sedimentación, extracción e inactividad (reposo y remoción)”. 

“El SBR conceptualmente”, profundiza, “tiene un dispositivo que permite agregar influente (llenado) o extraer efluente (extracción) desde arriba, además de una apertura de descarga inferior para la remoción del sedimento (biomasa) durante la etapa de reposo y remoción. Los diferentes caudales volumétricos que tiene el SBR de entrada (llenado) o salida (extracción o remoción del sedimento) dan el nombre del movimiento de frontera móvil”. 

“El modelo gobernante”, explica, “consiste en un sistema acoplado de ecuaciones de leyes de conservación parabólicas de convección-difusión-reacción fuertemente degeneradas, siendo las incógnitas las concentraciones de las componentes sólidas (bacterias; lodos activados) y líquidos (substratos) en función de la altura y el tiempo. Además, se realizó el ajuste de datos experimentales obtenidos de una planta piloto que tiene un tanque de sedimentación secundario (SST por sus siglas en inglés) con área de sección transversal variable al modelo de sedimentación reactiva”.

Precisamente, el desarrollo de un nuevo modelo y esquemas numéricos confiables para el proceso de sedimentación reactiva en los SBRs es uno de los principales resultados aplicados de su tesis, ya que se trata, destaca de “una herramienta que ayudará a entender mejor lo que pasa en el proceso de los SBRs en el tratamiento de aguas residuales. Con ello el operador de la planta puede saber a través de simulaciones como sería el comportamiento de SBR en las diferentes etapas que éste tiene, mediante la modelación dinámica espaciotemporal predice la calidad del efluente, la demanda de oxígeno y la producción de lodo”. 

“Esta modelación”, afirma, “facilita la comprensión del proceso, reduce la necesidad de estudios piloto y ahorra tiempo e inversión. Además, el modelo sirve para diagnóstico, proyección, desarrollo de estrategias de control y optimización de la operación del proceso del SBR”. 

Como una extensión de aquello, las aplicaciones de estos resultados pueden desarrollarse en el ámbito del “tratamiento de agua que tiene una variedad de aplicaciones. Como en el tratamiento de aguas residuales o de procesamiento de minerales”.

El investigador identifica, al menos, tres nuevas líneas de investigación y aplicaciones y extensiones que podría surgir a partir de sus resultados. Al respecto, el Dr. Raimund Bürger menciona la optimización de una planta de operación de SBR. “Por ejemplo”, detalla, “hay interés en diseñar el ciclo de operación en forma óptima (elección adecuada de la duración de cada una de las etapas), considerando también que una planta normalmente emplea varios equipos SBR en paralelo, para asegurar que siempre uno de éstos se encuentre en etapa de llenado; incluir una fase gaseosa al modelo SBR, ya que en el proceso de desnitrificación se produce la liberación de gas nitrógeno y estas burbujas que se liberan se adhieren a las partículas sólidas lo que implica que las burbujas de gas nitrógeno se mueven hacia arriba mientras las partículas sólidas sedimentan, dando como resultado la flotación del manto de lodo en el tanque”.

“La segunda línea nueva de investigación”, explica el Dr. Bürger, “se enfocaría en la computación científica: Los esquemas que se desarrollaron son de primer orden en espacio y tiempo. Son necesarias técnicas más sofisticadas como IMEX y WENO, métodos de alto orden para mejorar las aproximaciones numéricas de las discontinuadas de las soluciones del SBR presentan discontinuidades. Finalmente, como tercer tema de investigación quedan pendientes pruebas de convergencia numérica más rigurosas”.

Cooperación sin fronteras

“La colaboración internacional en el ámbito de la investigación científica, desde mi perspectiva, tiene un valor incalculable, trasciende fronteras y permite el intercambio de ideas y conocimientos que enriquecen y potencian los resultados de la investigación”, manifiesta el Dr. Pineda

“Un ejemplo palpable de esta colaboración es la relación de trabajo que he tenido con el Dr. Stefan Diehl quien fue mi cotutor. Él es un especialista destacado en su campo de investigación y su cooperación ha generado contribuciones significativas a la ciencia. Su trabajo conjunto ha demostrado que la suma de experticias y perspectivas diversas puede llevar a avances y descubrimientos que de otra manera podrían haberse pasado por alto”.

El experto señala que “la colaboración internacional no sólo beneficia a los investigadores involucrados, sino que también tiene un impacto positivo en la sociedad en general. Por ejemplo, la investigación conjunta con mis tutores, Dr. Stefan Diehl (Lund University, Suecia), Dr. Julio Careaga (Radboud Universiteit, Países Bajos) y el Dr. Raimund Bürger ha permitido el desarrollo de soluciones innovadoras para problemas reales y urgentes, como el tratamiento de aguas residuales en el proceso de los SBRs. Este tipo de investigación tiene el potencial de mejorar la calidad de los cuerpos hídricos y al desarrollo sostenible de la sociedad”.

Actualmente, los planes de Romel son integrarse como académico a su alma mater, además de “continuar y fortalecer la colaboración con mis profesores guías de tesis, además de establecer un puente de investigación entre las universidades para fortalecer la cooperación seguir investigando y aportando a la sociedad”.

Los estudios de Doctorado de Romel Pineda fueron financiados por la Beca de Doctorado Nacional de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID-PCHA 2020-21200939), oportunidad que él agradece sinceramente. La investigación forma parte, además, de los proyectos de investigación financiados por ANID Chile Fondecyt 1210610, CRHIAM (ANID/Fondap/15130015), Anillo ACT210030, y Centro de Modelamiento Matemático (CMM; ANID/BASAL/FB210005).