Simulation and prediction of hydrodynamic performance at University of Zulia’s wastewater stabilization ponds using a 3D-Computational Fluid Dynamic (CFD) model
Gerardo Aldana y Nibis Bracho
Centro de Investigation del Agua, Facultad de Ingenieria, Universidad del Zulia. Apdo 15380. E-mail: gerardoaldana_21@hotmail.com
Abstract
The University of Zulia wastewater treatment is comprised for three series of stabilization ponds, 3 facultative (A1, B1, C1) and 6 maturation (A2, A3, B2, B3. C2, C3) which have been operational since 1992 when it was founded. A series of simulation and prediction of hydrodynamic behavior in WSPs using a model HYDRO-3D calibrated is the aim of this study. Two task stages conformed by 15 hydraulic model simulations were made in order to evaluate the hydraulic performance based on outputs vector plots. The former was simulated with the original lagoon design built in 1992, that included solely an inlet and an outlet pipe for each lagoon. The second was simulated with a U shape pipe at the outlet and multiple inlets, it which was constructed in 1995 as part of system improvements. Results from HYDRO-3D program showed that original design had short-circuited and dead zone around of inlet area due to uneven shear stress. Second series of runs to facultative lagoons (A1, B1, C1), showed that a U shape pipe placed at outlet eliminated a conflictive zone and hence improved mixing within the basin. Wind effects produced more damaged on maturation pond when inlet is placed at the bottom level (current) in comparison with one on the top level (simulated). HYDRO-3D simulation suggested that to increase mixing on maturation ponds A2 and B2 a double directly pipe at the top level would increase hydraulic performance.
Simulación y predicción de la hidrodinámica en las lagunas de estabilización de LUZ utilizando un modelo computacional en 3D
Resumen
Las lagunas del la Universidad del Zulia están conformadas por tres series, 3 facultativas (A1, B1, C1) y 6 de maduración, 2 en serie por cada laguna facultativa (A2, A3, B2, B3, C2, C3). El objetivo principal de este estudio fue simular el comportamiento hidrodinámico utilizando un modelo calibrado HYDRO-3D. Dos etapas especificas fueron estudiadas en las cuales 15 alternativas de simulación fueron analizadas. La primera con las condiciones originales de diseño (1992) y la segunda con las modificaciones implementadas en las entradas y salidas (1995) en las lagunas de LUZ. Los resultados para las condiciones originales arrojaron que el diseño original presentaba zonas críticas para las lagunas facultativas y de maduración, ocasionadas por el flujo advectivo producido por la descarga unitaria del afluente en la superficie. Los resultados simulados para las modificaciones demostraron que al aumentar él numero de salidas de una a dos incrementa el porcentaje de mezcla y disminuye las zonas de cortos circuitos en las lagunas facultativas (A1,B1,C1); no ocurriendo así en las de maduración. El efecto del viento lateral y con dirección predominante noreste 30° con respecto al afluente influye notablemente, siendo más desfavorable cuando el afluente fue colocado en el fondo (actual) en vez de la superficie (simulado) para las lagunas de maduración (A2 y B2). Las conclusiones indicaron que la eficiencia hidráulica se podría incrementar en las lagunas (A2 y B2), cuando se simula dos tuberías superficiales en el afluente en vez de una sumergida.
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Palabras clave: Dinámica de flujo computacional DFC, hidrodinámica, lagunas de estabilización, modelo calibrado, hidráulica en lagunas, vectores de velocidad.
Recibido el 19 Julio de 2004
En forma revisada el 07 de Marzo de 2005
Introducción
Las lagunas de estabilización son un sistema de tratamiento biológico convencional. En la actualidad su uso es cada vez mas frecuente en tratamientos biológicos primarios, secundarios y terciario [1].
Las lagunas son diseñadas generalmente en forma rectangular y de acuerdo a investigaciones realizadas por [2], [3] y [4]; la relación largo/ancho (L/W >8 - 10) juega un papel importante; así como también, el bajo caudal (< 6 l/s) debido a que promueven el flujo pistón. En estudios realizados en la Universidad de Surrey, Inglaterra revelaron que el viento, la fricción en las paredes y fondo son otros parámetros importantes en la hidrodinámica de laguna [5].
La hidrodinámica en lagunas de estabilización es muy compleja, debido a que involucra varios factores, tales como: geometría, relación L/W; temperatura, pH; constante de muerte endógena, numero de dispersión (mezcla axial, transversal y/o vertical) y tiempo de retención hidráulico real. Hoy en día, este campo de estudio tiene todavía grandes vacíos y no existen repuestas a preguntas que se hacen los investigadores. Las ecuaciones de diseño tradicionales no incluyen paramentros que se ajusten a la realidad [3], y se requiere realizar estudios con trazadores, los cuales son costosos, engorrosos y de larga duración [6]. para determinar el tiempo hidráulico real y la eficiencia hidráulica de la laguna.
A principio de la década pasada en Australia [7] propusieron por primera vez una técnica para estudiar la hidrodinámica en lagunas, conocida como Dinámica de Flujo Computacional (DFC). Posteriormente casi una década después [8]; [5] en Inglaterra y [9] en Nueva Zelandia concluyeron que la DFC puede conducir a resultados muy precisos siempre y cuando se utilicen modelos calibrados y validados con data obtenida en lagunas a escala real.
En este trabajo de investigación se pretende simular la hidrodinámica en las lagunas de LUZ considerando tres casos de análisis: 1) Condiciones iniciales en la construcción (entradas y salidas) para el momento de arranque de la planta (1992). 2) Simulación de la hidrodinámica una vez que fueron intervenidas las entradas y salidas del sistema de lagunas en (1995) y 3) Predecir recomendaciones que puedan adaptarse a la construcción actual, para mejorar la hidrodinámica de las lagunas.
Fundamentos teóricos del modelo de dinámica de flujo computacional
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Ecuaciones que gobiernan el movimiento en la DFC
El modelo de Dinámica de Fluido Computacional se basa en las ecuaciones de movimiento de fluido tales como: la de continuidad, momentum en 3 direcciones y la de esfuerzo de Reynolds. A continuación se presentan las ecuaciones desarrolladas para el programa HYDRO-3D en coordenadas cartesianas:
Metodología
El sistema de lagunas de LUZ esta construido en una área de extensión de 6 has dentro del campo universitario y conforma una estación completa a escala real, la cual es alimentada con aguas residuales provenientes de la zona residencial al noroeste de la ciudad de Maracaibo. Un colector de 90” de diámetro atraviesa la ciudad universitaria del cual es desviado un caudal equivalente al 25% que es vertido en una fosa de bombeo. De la fosa se bombea 15 l/s correspondiendo un caudal de 5 l/s para cada serie como se muestra en la Figura 1a.
Las lagunas facultativas A1 y C1 fueron construidas originalmente con una tubería de entrada de 8” de diámetro central y una de igual especificación a la salida ver Figura 1a. La laguna B1 fue construida con una fosa de lodos sumergida por debajo del nivel de fondo de la laguna y sus dimensiones son 20m x 10m x 1.50m, en la cual descarga una tubería de 8” de diámetro. Las modificaciones realizadas al sistema en 1995 consistieron en incrementar a 3 él número de descargas en el afluente de la laguna C1, colocando un dispositivo de entrada en forma de tenedor con igual longitud y diámetro para cada tubería. Para las salidas en cada laguna fueron colocadas dos tuberías de igual diámetro al original pero en forma de U Figura 1b, a excepción de la serie A.
Las dimensiones de cada laguna y sus características más relevantes se presentan en la Tabla 1.
Generación de la malla de elementos finito
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El primer paso importante dentro de la simulación es la generación de la malla de elementos finitos. El programa HYDRO-3D requiere de la utilización de dos mallas. La primera es la malla bidimensional (2D), para ello se utilizo el programa FEM (Finite Element Mesh). La segunda es la malla en tres dimensiones (3D), la cual involucra la batimetría de la laguna y se obtiene a través de un programa de conexión entre el FEM y HYDRO-3D desarrollado en la Universidad de Surrey, Inglaterra. En este estudio se generaron cuatro diferentes mallas en 2D una para cada laguna facultativa A1, B1, C1 y de maduración A2 y una de igual dimensiones para el resto de las lagunas. La razón fue porque las lagunas de maduración tienen igual dimensiones a excepción de la laguna A2 la cual tiene dos pantallas, ver Figura 1. A manera de ejemplo se presenta en la Figura 2 la malla generada en 2D para la laguna B1. En la Figura 2 se observa la malla de elementos finitos en el plano producida por el programa FEM para la laguna facultativa B1 con una cantidad de 868 nodos.
Parte Experimental
El modelo HYDRO-3D simula la hidrodinámica en lagunas a través de gráficos que muestran vectores de velocidad [8]. Este modelo incluye datos reales de campo tales como: batimetría, velocidad y dirección del viento, temperatura, nubosidad y humedad relativa.
La batimetría de lodos en las lagunas no fue realizada antes del estudio debido a que se requiere utilizar el método de columna blanca, por lo tanto los valores de batimetría fueron asumidos para una profundidad constante en cada laguna para efecto de la simulación.
Los valores de velocidad del viento fueron medidos en una estación meteorológica ubicada a 800 m de distancia desde el sistema de lagunas. Dicha estación pertenece a la Facultad de Arquitectura. La velocidad promedio fue de 3 m/s y la dirección predominante fue Norte 30° Este. La dirección del viento cambia durante las tardes a partir de la 1:00 pm soplando desde la dirección Oeste 270° Norte.
Los valores de temperatura del agua y del aire fueron medidos en sitio, realizándose un perfil de temperatura cada 30 cm de profundidad. La temperatura promedio del agua fue de 28°C en las lagunas facultativas y 26°C en las de maduración. La temperatura promedio del aire fue de 32°C para el periodo Febrero Octubre de los años 1992 y 1995. Los valores de nubosidad y humedad relativa fueron calculados tomando como referencia los valores meteorológicos para la ciudad de Maracaibo.
Se corrieron 15 casos en total para simular el comportamiento hidrodinámico de las lagunas. Cinco casos con la condición original (1992) y cinco casos con la condición modificada (1995). Con el esquema propuesto es fácil identificar en que varía la condición original de la modificada. Adicionalmente se analizaron cinco casos para optimizar la posición de la tubería de entrada y salida. Los vectores de velocidad para la condición original en las lagunas B1 y C1 se muestran en la Figura 3.
Para el procesamiento computacional de los modelos se utilizo una Laptop Toshiba de 4 MB disco duro y 128 MB RAM. El tiempo empleado para los corridos vario entre 30 minutos y 2 horas dependiendo de cada caso. Cada uno de los modelos fue corrido hasta obtener residuales cero (calibración del modelo) variando el coeficiente de viscosidad turbulenta o de eddy entre 0.09 m2/s y 0.9 m2/s.
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Los valores de entrada al programa HYDRO-3D para el modelo hidrodinámico fueron: caudal, viento en las dos direcciones (mañana y tarde), posición de la tubería de entrada y salida, diámetro de la tubería y temperatura del agua.
Resultados y Discusión
Configuración original
El modelo B1 fue corrido con un valor de 0.9 m2/s (viscosidad turbulenta o de eddy) debido a que existe mayor turbulencia en el momento de la descarga a través de la tubería sumergida en la fosa de lodos, fenómeno también observado en estudios realizados en Inglaterra en un modelo físico de laguna de maduración a escala 1:18. En la capa superficial mostrada en la Figura 3a se puede observar que el movimiento del flujo esta caracterizado por un flujo predominante del tipo disperso, numero de dispersión igual a 0.56 [5].
El modelo C1 fue corrido con un valor de 0.09 m2/s (viscosidad turbulenta o de eddy) debido a que el efecto de la turbulencia es menor causado por la geometría de la laguna relación L/A= 1:3.07 [4]. El efecto del viento nordeste es una desventaja en la laguna C1, debido a que afecta el patrón de flujo en un 40%, visualizado en la Figura 3b en el centro y adyacente al talud lateral derecho en la dirección del flujo; ocasionado por el efecto de la inercia del viento sobre la inercia del agua, siendo en este caso el viento superior porque la relación L/A es mayor. En la Figura 3b se puede observar que el movimiento del flujo esta caracterizado por un flujo predominante disperso, numero de dispersión igual a 0.21 [5].
El efecto del viento soplando desde el noroeste produce un patrón de mezcla en sentido dextrógiro seguido por el talud lateral derecho, ocasionando una zona de corto circuito en la esquina derecha cercana al afluente, debido al efecto de impacto de las dos masas de agua, provocado por el desequilibrio del esfuerzo cortante en el afluente y la mezcla en sentido dextrógiro.
El modelo A2 fue corrido con un valor de 1.5 m2/s (viscosidad de turbulencia o eddy) debido a que el afluente es sumergido y además por el efecto que producen las pantallas en la laguna A2. Por lo tanto una gran turbulencia es generada a lo largo de la laguna lo cual produce un patrón de flujo errático sin ninguna definición, según lo observado en la Figura 4.
El flujo esta caracterizado por un flujo disperso predominante, numero de dispersión igual a 0.66 (5). Aunado al efecto del viento el cual es ligeramente ventajoso debido a la geometría de la laguna relación L/A = 1:2; sin embargo, aun se producen zonas de corto circuito en las líneas divisoria bordeada por la primera y la segunda pantalla, según se visualiza en la Figura 4.
Configuración modificada
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La modificación implementada en la laguna B1 colocando dos tuberías en el efluente optimiza notablemente la eficiencia hidráulica de la laguna, de acuerdo a lo observado en la Figura 5a. El efecto de separación del flujo en dos, se desvaneció, casi desapareció, permaneciendo el flujo caracterizado por el tipo disperso combinado por flujo de advección y mezcla parcial producida por el movimiento de la masa de agua en sentido dextrogiro, generado por el viento proveniente del Oeste. La modificación implementada en la laguna C1 colocando tres tuberías en el afluente y dos en el efluente optimiza notablemente la eficiencia hidráulica de la laguna C1, de acuerdo a lo observado en la Figura 5b.
Configuración propuesta para laguna A2
A tal fin la propuesta recomendada para la laguna A2 consiste en ubicar la tubería del afluente a nivel superficial, eliminar la primera pantalla (cercana del afluente) y modificar la segunda pantalla, lo cual consiste en cerrar todas las columnas y dejar solamente abiertos dos espacios de 4 m de longitud c/u, ambos estarían separados 8 m a partir de los taludes laterales hacia el centro.
La modificación implementada en la laguna A2 colocando una tubería en el afluente y en el efluente superficiales, eliminando la primera y semi-cerrando la segunda pantalla optimiza notablemente la eficiencia hidráulica de la laguna A2, de acuerdo a lo observado en la Figura 6.
En el modelo propuesto para la laguna A2 mostrado en la Figura 6 se puede observar que el movimiento del flujo esta caracterizado por un flujo disperso predominante y combinado por flujo de advección y mezcla ligera. El patrón de mezcla es incrementado en sentido dextrógiro en el área confinada por la pantalla.
El efecto del viento soplando desde el noreste y noroeste produce un patrón de mezcla en sentido levógiro en la parte central superior y cerca del talud lateral derecho, lo cual es una ventaja en conjunto con la ubicación de la tubería del afluente en la superficie, porque incrementa la mezcla dentro de la laguna y disminuye la zona de conflicto localizada en el talud lateral izquierdo mostrada en la Figura 4. El flujo errático fue desvanecido con la eliminación de la primera pantalla.
A fin de conocer la calidad del agua se analizo el modelo HYDRO-3D para 4 casos A1,B1,C1 y A2 (propuesta) de manera de determinar como varia la concentración de nutrientes orgánicos (N, F), parámetros bacteriológicos y concentración de algas entre la configuración inicial y la modificada. Las variaciones entre ambos corridos fueron mínimas a excepción de los parámetros bacteriológicos (CF, CT) en la laguna de maduración A2 y de la clorofila A en todos los casos. Los valores obtenidos por el modelo se presentan en la Tabla 2.
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Valores de concentraciones predichos por HYDRO-3D en el efluente
Configuración inicial (1992)
NH3(mg/L)
NO2 (mg/L)
NO3 (mg/L)
PO4 (mg/L)
CF 1000/100 mL
CT 1000/100 mL
Cl-A
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A1
0,03
0,01
0,001
0,3
1x106
1x106
40
B1
0,03
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0,01
0,001
0,3
1x106
1x106
40
C1
0,03
0,01
0,001
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0,3
1x106
1x106
37
A2
0,03
0,02
0,003
0,5
1x105
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1x105
75
Configuración inicial (1995)
A1
0,03
0,01
0,001
0,3
1x106
1x106
20
B1
0,03
0,01
0,001
0,3
1x106
1x106
29
C1
0,03
0,01
0,001
0,3
1x106
1x106
23
A2
0,03
0,02
0,003
0,5
1x104
1x104
45
NH3= Concentración de amonio, NO2= Nitrito, NO3= Nitrato, PO4= Fosfato. CF= Densidad de coliformes fecales. CF= Coliformes totales, Cl-A= Clorofila A.
Conclusiones
El diseño original construido para las lagunas de la Universidad del Zulia (1992) presentaba zonas criticas para las lagunas facultativas y de maduración, el cual generaba zonas de cortos circuitos en las áreas cercanas al afluente y efluente. Las modificaciones implementadas en las entradas y salidas en 1995, en general optimizaron el comportamiento hidrodinámico de las lagunas facultativas, resultando en desventaja para las lagunas de maduración debido a que no produjo ninguna diferencia notable en la hidrodinámica. La propuesta para la laguna A2 de eliminar una pantalla resulto ser favorable de acuerdo a lo predicho por el modelo HYDRO-3D en ambos casos hidrodinámica y de calidad de agua.
Referencias Bibliográficas
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2. Thirumurthi, D., Design principles of waste stabilisation ponds. Journal of the Sanitary Engineering Division, Proceeding of the American Society of Civil Engineers, Vol. 95, No SA2 (1969). [ Links ]
3. Lloyd, B.J.; Vorkas, C.A. and Guganesharajah, R.H. Reducing hydraulic short-circuiting in maturation ponds to maximise pathogen removal using channels and wind breaks. Paper to be presented at 5th Specialist Conference on WSP, Auckland, NZ. (2002). [ Links ]
4. Bracho, N. Optimisation of faecal coliform removal in waste stabilisation pond. PhD Thesis. University of Surrey, Inglaterra (2003). [ Links ]
5. Aldana, G.J., Hydraulic Behaviour and Performance Improvement of Waste Stabilisation Ponds (WSPs) using a Computational Fluid Dynamic (CFD) and physical model. Tesis de PhD. Universidad de Surrey, Inglaterra (2004). [ Links ]
6. Finney, B.A., Middlebrooks, E.J. Facultative waste stabilisation ponds design. Journal of the Water Pollution Control Federation, Vol. 52, No 1, (1980),134-147 [ Links ]
7. Wood, M.G., Greenfield, P.F., Hoves, T., Johns, M.R. and Keller, J., CFD modelling of wastewater ponds to improve design. Pre-print Volume IAWQ Conference California (1993). [ Links ]
8. Guganesharajah, R.K., Numerical Aspects of Computational Hydraulic and Water Quality Models for Rivers, Estuaries, Reservoirs and Aquifers with particular reference to Waste Stabilisation Ponds. PhD Thesis University of Surrey, 9-12 (2001). [ Links ]
9. Shilton, A. and Harrison, J., Development of guidelines for improved hydraulic design of waste stabilisation ponds. 5th International IWA Specialist Group Conference on WSP. Auckland, New Zealand. Vol 2, Preprint, 469-476 (2002). [ Links ] ]]>
EPA1983196995SA2SA2200219805211134-147199320019-1220022Auckland 469-476
