ppi 201502ZU4659
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UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
“Buscar la verdad y aan-
zar los valores transcen-
dentales”, misión de las
universidades en su artículo
primero, inspirado en los
principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
“Buscar la verdad y aan-
zar los valores transcen-
dentales”, misión de las
universidades en su artículo
primero, inspirado en los
principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
VOL.43 ENERO - ABRIL 2020 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, 41-48
retardant BDE 99 in a secondary facultative lagoon
Andrés Mauricio Zapata Rivera* , Miguel Ricardo Peña Varón
Instituto Cinara, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, A.A. 25157, Cali-Colombia
*Autor de Contacto: andres.zapata@correounivalle.edu.co
https://doi.org/10.22209/rt.v43n1a06
Recepción: 10/10/2018 | Aceptación: 29/11/2019 | Publicación: 20/12/2019
Abstract
appearance (2h). The absolute mean deviation and the relative mean deviation showed relative errors between the model
Keywords: Computational Fluid Dynamics; emerging pollutants; multiphasic models; tracer.
Modelo CFD para caracterizar el transporte del retardante
de llama BDE 99 en una laguna facultativa usada para el
tratamiento de aguas residuales municipales
Resumen
suspendidos y retardante. Se utilizó ANSYS Inc. Fluent® (V.16.1). Los resultados se validaron con un estudio de trazadores,
Palabras clave:
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
42 Zapata Rivera y PeñaVarón
Introducción
Las Lagunas Facultativas (LFs) son una de las
tecnologías más importantes para la descontaminación
de aguas residuales (AR) [1], gracias a sus bajos costos,
en la agricultura ó la recuperación de suelos [3]. Su
de las aguas contaminadas [5]. A pesar de sus ventajas,
de llama bromados (PBDEs) [7]. Investigaciones en
Canadá, mostraron elevadas concentraciones de PBDEs
concentración y el transporte del retardante de llama
localizada en el municipio de Ginebra-Valle del Cauca-
Colombia. Para ello, se construyó un modelo en 3
dimensiones (3D) utilizando técnicas de Dinámica de
Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés). El
suspendidos y BDE 99. La hidrodinámica del modelo se
validó con un estudio de trazadores usando rodamina WT
(RWT) y las pruebas de bondad de ajuste desviación media
sumatoria de los errores al cuadrado (SSE) y la raíz del
error cuadrático medio (RMSE). También se validó el
modelo CFD-3D el transporte del contaminante orgánico
biodegradación de estos contaminantes.
Materiales y Métodos
Localización de la laguna facultativa secundaria
La laguna se localiza en la Estación de
Investigación de Aguas Residuales y Reuso del municipio
de Ginebra-Valle del Cauca-Colombia a 3° 43› 50›› latitud
Norte y 76º 16› 20›› longitud Oeste, sobre los 1040
m.s.n.m. La temperatura y la precipitación anual promedio
en el municipio son 24 ºC y 1280 mm respectivamente. El
caudal medio de entrada de agua residual a la LF es 23,76
m3.día-1. La entrada consta de una cámara de distribución
sumergida de 0,0546 m de diámetro donde el caudal es
regulado usando una válvula de globo. La salida se hace
2, El ancho del espejo de agua 5,70 m, el largo
agua 1,48 m y el tiempo de retención hidráulico teórico
DBO.Ha-1.d-1.
Estudio de trazadores
El campo hidrodinámico se validó con un estudio
para este tipo de sistemas de tratamiento, en el estudio
se usó rodamina WT (RWT) como trazador siguiendo la
metodología desarrollada por [9]. La RWT se seleccionó
pulso.
Para el estudio, se tomaron 3,28 ml del trazador
(0,76 g de ingrediente activo) y se enrasaron a un litro con
la misma temperatura [10]. La solución resultante tuvo
cámara de distribución de caudal. La concentración del
lineal de detección entre 0,4 -1 -1. Las
nm, con los datos se construyó la curva de distribución de
los tiempos de residencia (DTR) normalizada. Durante el
estudio se mantuvo constante el caudal de entrada en 0,27
L.s-1. Para simular la inyección del trazador en el modelo,
de la rodamina en estado transitorio.
Cuantificación del retardante de llama BDE 99
ó
policlorados (PCBs) 44 y 66, el plaguicida Endrín y
el retardante de llama BDE 99. Para ello, se tomaron
y el bentos en el punto medio de la laguna. El ensayo
de laboratorio se realizó siguiendo la metodología del
y validado por estudio previo realizado en la LF [11]. La
solucion intermedia se preparó a partir de una mezcla
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
43
Modelo CFD para caracterizar el transporte del BDE 99 en una laguna facultativa
esta solución se prepararon las curvas de calibración y
se realizó el aseguramiento de calidad del método para
99 en el modelo.
Validación de resultados
tiempo de retención, la varianza de la curva de distribución
de los tiempos de residencia (DTR) normalizada, el
concentración del trazador, según lo propuesto por [20].
sumatoria de los errores al cuadrado (SSE) y la raíz del
error cuadrático medio (RMSE) usada como bondad de
ajuste en la DTR [21]. Finalmente las dos series de datos
y la prueba no paramétrica Test de Levene para comparar
las varianzas de las series de datos (P < 0,05).
Especificaciones del modelo CFD
Geometría y discretización
El modelo se desarrolló usando el programa
ANSYS Inc. Fluent® (V.16.1), en una estación de trabajo
Dell Precision TX 3500, procesador Intel ® Xeon®
X3470 (8MB Caché, 2,93 GHz, Turbo, HT). La geometría
by Ansys Inc versión 16.1 de acuerdo a las dimensiones
reales de la LF. Para la discretización se empleó el método
de 0,025 m para la tercera. Cada una se construyó
utilizando el programa Ansys Inc® ICEM CFDTM meshing
más adecuada para el modelo. La calidad de los elementos
se evaluó con los métodos del determinante y del ángulo
interno. Con el primero se garantizó una calidad de los
elementos superior a 0,5 (valor mínimo aceptable 0,3) y
con el segundo ángulos internos superiores a 9º [12]. La
Figura 1 muestra la geometría (Figura 1a) y malla (Figura
1b) del modelo CFD utilizada para la simulación.
a
b
Figura 1. Geometría y malla del modelo CFD-3D
Condiciones de frontera
Para la entrada, se utilizó la condición de
m.s-1
diámetro hidráulico de 0,0546 m, número de Reynolds
e-6 respectivamente. Estos valores se calcularon de
acuerdo a las condiciones de operación de la laguna.
Para los sólidos suspendidos se utilizó como condición
medida semanalmente durante un periodo de dos años.
de sólidos no incluyó la biomasa de algas generada en
la laguna. Se acopló a la salida, el modelo Euleriano con
transporte del retardante en los sólidos se representó con
cinética de pseudo-segundo orden según [7] (ecuación 1):
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44 Zapata Rivera y PeñaVarón
Donde:
K2 = Es la constante de adsorción en los sólidos [1,58 e-4
min-1]
t = Es el tiempo de adsorción en los sólidos [min]
qe y q= Son la masa inicial y remanente de retardante
En la salida, se calculó un número de Reynolds
respectivamente. Para las paredes, se utilizó la condición
Propiedades de los materiales
densidad ( -3 [13] y viscosidad () 0,0011
-1s-1
densidad (-3 [15], la distribución del diámetro
densidad (-3-1
[17] y diámetro de partícula 2,00 e-5 m [18].
Ecuaciones gobernantes
(ecuaciones 2 a 5), resueltas en estado transitorio para
de continuidad, momento y turbulencia en 3D. Tuvieron
Ecuación de continuidad
Ecuación de momento
Modelo de turbulencia
En el modelo CFD se probaron tres modelos de
(1)
(2)
(3)
transitorio [12]. Las ecuaciones del modelo de turbulencia
k-ε
y,
Se asumieron las constantes del modelo de
valores: C12
Resultados y Discusión
Estudio de trazadores: modelo CFD Vs resultados
experimentales
del modelo, la comparación de los tiempos de retención, la
varianza, el número de dispersión y los resultados de las
pruebas de bondad de ajuste se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Comparación de resultados estudio de trazado-
Parámetro Estudio
1
Modelo
CFD
Tiempo de retención experimental
(h) 75 70
Tiempo de retención teórico (h) 95,76 95,76
Tiempo de aparición de pico de
máxima concentración (h) 2 2
Varianza (σ2) 4602 4607
Número de dispersión (δ) 0,406 0,478
Porcentaje de error de los tiempos
de retención (%) 22 26
Desviación media absoluta
(DMA%) 0,050 0,049
Desviación media relativa
(DMR%) 0,137 0,122
Sumatoria de los errores al
cuadrado (SSE) 0,390 0,130
Raíz del error cuadrático medio
(RMSE) 0,175 0,073
Los resultados de las pruebas de bondad
(5)
(4)
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
45
Modelo CFD para caracterizar el transporte del BDE 99 en una laguna facultativa
respectivamente. La sumatoria de los errores al cuadrado
0,130 y 0,390 respectivamente, mientras la raíz del error
cuadrático medio (RMSE) usada como bondad de ajuste
en la DTR presentaron porcentajes de error del 0,175
y mayor robustez en los resultados. Los errores pueden
presentarse como consecuencia del error inducido por el
como zonas de recirculación y zonas muertas, donde
el material particulado incrementa su tiempo de
del comportamiento hidrodinámico. Sin embargo, estos
Figura 2 máximo de
concentración del modelo aparece en el mismo tiempo
para alcazar una concentración de trazador igual a cero en
datos, mientras la prueba no paramétrica Test de Levene
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 4 8 12 20 28 36 44 52 56 60 64 68 72 76 80 84 92 100 108 116 124 132 144 164 188 212 236 260
Concentración adimensional, E (θ) = C/C
0
Tíempo (h)
Estudio de trazador experimental
Modelo CFD
Figura 2. Distribución de tiempos de residencia del
Los mejores resultados en convergencia, número
de iteraciones y estabilidad de residuales se obtuvieron
con el modelo k-ε
LF recomiendan el uso del modelo estándar [24]. Sin
embargo, en este estudio la selección del modelo se
laminar, transitorio o turbulento [12]. Este aspecto no se
menciona en los artículos de modelación CFD revisados y
transitorios (2000 < Re < 4000) [12]. En este estudio, el
en la tubería de entrada, 506 para la de salida y 840 en la
del modelo Realizable como la más acertada para el
uso de este modelo disminuyó el tiempo de computo y el
Figura 3 presenta el campo de velocidades
cercanas a 0,115 m.s-1 en la entrada y 0,088 m.s-1 en las
zonas adyacentes. Así mismo, una zona de corto circuito
1
2
3
b
1
2
3
b
Figura 3. Campo vectorial de velocidades del modelo
CFD
Determinación experimental del retardante de llama
BDE 99
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
46 Zapata Rivera y PeñaVarón
Los resultados de la concentración de los
y el retardante de llama BDE 99 se presentan en la Tabla
2
correspondieron a la época invernal y los más altos a la
temporada de verano con temperaturas entre 28 ºC y 30
ºC, similares a las encontradas en Ginebra-Valle del Cauca.
los PBDE es inversamente proporcional a la concentración
-1
de elimnación del 53 %, por lo que los resultados
a los hallazgos de [8].
Tabla 2. Concentración de compuestos orgánicos en la
laguna
Compuesto
Entrada
Salida
Punto medio (1,40m) %
Eliminación
μg.kg
-1
μg.kg-1
μg.kg
-1
Aldrín <5 <5 <5 <5 <5 ---
PCB_44 18,9 <5 49,0 <5 <5 74,0
PCB_66 64,5 <5 49,2 41,2 77,2 92,0
4,4-DDE <5 <5 <5 <5 <5 ---
Endrín 50,45 <5 <5 <5 <5 90,0
4,4-DDD <5 <5 <5 <5 <5 ---
BDE 99 16,16 5 32,2 115,3 36,1 69,0
BDE 100 <5 <5 <5 <5 <5 ---
De acuerdo a los resultados de la Tabla 2 y
sistemas de tratamiento localizados en zonas tropicales,
poseen ventajas para la eliminación de este tipo de
más al norte o sur del planeta. Otra ventaja de las LFs
localizadas en regiones tropicales, es la abundancia
de radiación solar y la estabilidad de los periodos de
en la eliminación de este tipo de compuestos [27]. La
limitación más importante es la presencia en el volumen de
agua de sustancias húmicas y SS. Según [27] las moléculas
sólidos
investigación con muchos interrogantes por responder.
han sido a escala de laboratorio sin tener en cuenta las
variaciones ambientales y climatológicas del sitio donde
se localizan las lagunas. Tampoco, ha sido evaluada la
degradación por microorganismos. Esta última, con
mucho potencial en este tipo de sistemas de tratamiento
Escenario CFD para transporte del Retardante de
llama BDE 99
2,51 veces el TRH. En este periodo el modelo alcanzó una
Adicionalmente, se realizó seguimiento a la concentración
simulada del BDE 99 en el punto medio de la laguna
Tabla 3 muestra los
porcentajes de error obtenidos entre los datos simulados
Tabla 3.-
centración de BDE 99 medidos en el centro de la laguna
Profundidad
(1,40 m)
Experimental Modelo CFD Error
%P/V %P/V (%)
Muestra 1 3,22 e-7 4,34 e-7 35
Muestra 2 1,15 e-6 4,34 e-7 62
Muestra 3 3,61 e-7 4,34 e-7 20
La Figura 4
concentración del BDE 99, este presenta un gradiente
similar al de los sólidos suspendidos (decreciente desde el
tienen los sólidos sobre el transporte del retardante.
Figura 4.
llama BDE 99
Autores como [27] y [7], encontraron
correlaciones positivas entre las concentraciones de
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 43, No. 1, 2020, Enero-Abril, pp. 03-56
47
Modelo CFD para caracterizar el transporte del BDE 99 en una laguna facultativa
Conclusiones
porcentajes de error entre el modelo y los datos
técnicas de modelación CFD pueden aplicarse a este tipo
complejos como el transporte de contaminantes orgánicos
Agradecimientos
Los autores agradecen a la universidad del Valle y
a Colciencias por su programa de crédito-beca condonable
investigación.
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Diciembre de 2019, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Vol. 43. N°1, Enero - Abril 2020, pp. 03 - 56__________________
