Evaluación del tiempo de contacto efectivo en tanques de cloración mediante simulación numérica CFD. (parte I)

Los tanques de contacto son estructuras hidráulicas enmarcadas normalmente en las plantas de tratamiento de agua; plantas potabilizadoras, depuradoras, etc. En ellas, el agua se pone en contacto con algún agente desinfectante para inactivar cualquier patógeno antes de devolverla al medio. Aunque existen múltiples tipos de desinfectante como el ozono o los rayos UV, el más empleado es el cloro, suministrado bien en forma pura, o más habitualmente mediante la adición al flujo de algún compuesto clorado.

 

Simulación de planta de tratamiento de agua

“EPA Guidance Manual LT1ESWTR Disinfection Profiling and Benchmarking”

 

El producto de la concentración de desinfectante (C) por el tiempo de contacto con el agua (t), es comúnmente empleado como medida de la eficiencia del sistema de desinfección. Naturalmente, cuanto mayor sea la concentración de desinfectante, más intenso será el tratamiento (y los consumos de desinfectante). Por otro lado, cuanto mayor sea el tiempo de contacto, el desinfectante tendrá más tiempo para actuar y por lo tanto el proceso será más eficiente.

Existen diferentes aspectos que pueden afectar a la desinfección:

-La concentración y clase de microorganismos a tratar.

-La intensidad y eficiencia del pretratamiento.

-Las variaciones de temperatura y pH.

 

El diseño del tanque de contacto.

Debido a que la mayoría de los factores vienen dados por el emplazamiento de la planta o la calidad de las aguas suministrada, el único aspecto que se puede modificar para optimizar su rendimiento es su propia forma, buscando maximizar el tiempo de contacto.

 

Simulación CFD de tanque de cloración

“Tanque de contacto. Conrad Strehlau”

Tiempo de retención hidráulico

En un tanque ideal, en condiciones estacionarias y en el que no exista ningún tipo de recirculación, el tiempo de contacto vendrá dado por:

 

TRH = V/Q

 

Donde V es el volumen del tanque, Q será el caudal a tratar y TRH el tiempo de residencia hidráulico o ideal. Este tipo de flujo se conoce como flujo tipo pistón o “plug flow”.

El cálculo ha de plantearse para el peor escenario posible, que en principio será para el caudal máximo.

El tanque se dimensiona para cumplir un CT suficiente que consiga inactivar los patógenos. Este valor de CT dependerá de la temperatura del agua, del pH, del tipo de patógeno…

 

Tiempo de contacto efectivo

La realidad, es que siempre existe cierto grado de mezcla, zonas de recirculación y trayectorias preferentes, que podríamos llamar cortocircuitos o by-passes. Parte del caudal aportado tomará un camino preferencial, recorriendo el tanque en un tiempo menor que el TRH, lo que implica que otra parte recirculará, teniendo tiempos de residencia mayores que el TRH.

Debido a esto, el tiempo de retención hidráulico no es un criterio adecuado para asegurarnos la correcta desinfección, ya que parte del caudal habrá pasado por el tanque de contacto en un tiempo t< TRH, por lo que parte del agua saliente, lo hará con valores de CT inferiores a los necesarios para la completa desinfección, o que en su defecto, sea necesario aumentar la concentración de cloro, y por lo tanto aumentar los costes de la depuración.

Por lo tanto, es necesario definir el concepto de tiempo de contacto efectivo, tx, como el tiempo necesario para que un porcentaje x% del caudal de entrada, salga del mismo. Por ejemplo, un t90=100s quiere decir que el 90% del caudal de salida, habría sido inyectado hace 100s. Inversamente, esto implica que, en ese tiempo, el 10% restante habría recirculado y aun residiría en el tanque.

Al no ser la edad del agua homogénea para los diferentes puntos del tanque, un concepto útil es el de distribución de tiempos de residencia. Mediante esta distribución podemos identificar fácilmente las zonas de recirculación y los flujos preferentes.

 

Ingeniería CFD para tanques de cloración

Tanque de cloración. “Illiniois State Water Survey. Prairie research institute”

 

Test de trazador

La forma de determinar estos tiempos efectivos de contacto seria mediante los llamados test de trazador. Consiste en inyectar un trazador inerte a la entrada del tanque y monitorizar su concentración a lo largo del tiempo en la salida.

Existen dos tipos fundamentales de pruebas:

  •  Test de escalón: Es el método más sencillo. Para un t=0 se introduce un cambio instantáneo en la concentración del trazador, manteniendo su concentración hasta que esta sea igual a la entrada y la salida. Si graficamos la concentración a la salida en función del tiempo, podremos relacionar directamente los valores de concentración x% con sus tx .
  • Test de pico: En otras ocasiones es más conveniente dosificar todo el trazador en un único instante t=0. La concentración de trazador a la salida frente al tiempo representa el tiempo de residencia del trazador, siendo el área bajo la curva el tx correspondiente.

Herramientas para un correcto diseño del tanque

Guías de diseño

Durante el diseño, aunque existen guías generales que nos permiten estimar el tiempo de contacto efectivo, estas son de carácter aproximado y deja todo en manos del buen criterio y experiencia del diseñador a la hora de escoger el coeficiente de apantallamiento, que define el ratio TRH/tx.

Ensayos a escala

Otra opción más precisa, sería realizar ensayos a escala del tanque, disparando los costes y los tiempos necesarios para el diseño considerablemente. Además en los ensayos a escala no se reproducen de forma precisa todos los fenómenos físicos que se producen en la realidad.

Simulación numérica CFD.

La tercera opción, sería la simulación numérica mediante mecánica de fluidos computacional, que nos permite de una forma rápida y precisa evaluar el tanque, corrigiendo y optimizando su geometría. Mediante esta herramienta podemos imitar las condiciones de test descritos anteriormente, sin que sea necesaria su construcción.

Además, tiene la ventaja de que podemos evaluar no solamente la concentración de salida del trazador, si no las propiedades del flujo en cualquier región del tanque; el campo de velocidades, la distribución de tiempos de residencia… identificando las zonas de recirculación y de by-passs.

También tenemos la posibilidad de evaluar el sistema para diferentes caudales, ya que el patrón del flujo y la intensidad de la mezcla puede cambiar para caudales menores.

Podemos corregir los posibles problemas que pueda presentar el sistema, idealmente desde una temprana etapa del diseño, o en caso de ya tener una instalación construida, emplearla como una herramienta de diagnóstico y mejora.

Tampoco es complicado incluir en ellos el cálculo del decaimiento del cloro o la cinética química de la neutralización de microorganismos.