Modelització numèrica del procés de deshidratació de fangs de despuradora mitjançant aiguamolls artificials

Abstract

En els processos de depuració d’aigües residuals es genera un residu consistent en un fang amb un gran contingut d’aigua. La gestió d’aquest fang suposa un important cost econòmic estimat entre el 20% i el 60% del cost total de depuració. Donada la importància de la gestió d’aquest residu es plantegen sistemes naturals per tal de reduir els costos energètics i millorar la integració en l’entorn; un d’aquests sistemes naturals consisteix en la utilització d’aiguamolls artificials. Des del punt de vista econòmic, s’estima que l’operació d’aquests sistemes en poblacions petites (fins 2000 habitants equivalents) és favorable front de sistemes convencionals com les centrífugues o el transport del fang sense deshidratació prèvia.

Els aiguamolls construïts consisteixen en una excavació en el terreny, o una obra de formigó, que conté un medi drenant constituït per diferents capes de graves, que permetin unes condicions de filtre, amb una última capa d’arenes a la superfície en la que es planten macròfits (Phragmites australis o Typha sp.) quan aquests macròfits estan completament desenvolupats la seva xarxa radicular d’arrels es distribueix per tota la capa d’arena i part de les graves. El funcionament d’aquests aiguamolls consisteix en anar alimentant la superfície amb dosificacions de fang fresc amb uns determinats períodes i volums i deixar que la percolació i l’evapotranspiració de les plantes redueixi el contingut d’aigua. La capa de fang va augmentant d’espessor durant la vida útil dels aiguamolls i la xarxa radicular dels macròfits s’estén per aquesta afavorint el procés de deshidratació. Aquesta capa de fang pot assolir uns nivells de deshidratació i mineralització significatius en comparació als sistemes mecànics (centrífugues, filtres banda) utilitzats tradicionalment. Quan la capa de fangs ha assolit el nivell del resguard es deixa reposar el sistema durant un període llarg en el que no es produeixen alimentacions i finalment es retira el fang deshidratat per tornar a iniciar el procés.

La falta d’uns criteris d’operació estandarditzats fa necessària l’elaboració d’un model numèric per tal d’obtenir unes directrius per determinar els períodes i volums d’alimentació que maximitzin els rendiments del sistema. En aquesta tesina es planteja desenvolupar un model numèric per simular la deshidratació dels fangs consistent en el mètode de les diferències finites (MDF) que utilitza l’equació de la difusió amb un terme font com a equació constitutiva. A partir de dades de sondes instal·lades en plantes pilot i plantes reals es calibren i validen els paràmetres del model, amb aquests paràmetres calibrats es realitza un Case Study considerant diferents espessors de la capa de fang i zones climàtiques que comporten diferents valors d’evapotranspiració. A partir dels resultats del Case Study es determinen uns valors òptims del període i volum de les alimentacions.

Els resultats obtinguts mostren una correlació important entre l’espessor de la capa de fangs i la distribució temporal de la deshidratació, capes de fangs més primes comporten disminucions d’humitat més acusades en els moments inicials, capes de fang més desenvolupades tenen una deshidratació que es prolonga més en el temps. Pel que fa als valors absoluts de la deshidratació s’observa que aquests són funció principalment de l’evapotranpiració. A partir d’aquests resultats s’obté una expressió numèrica que relaciona període òptim entre alimentacions i espessor de la capa així com el volum corresponent en funció del període i l’evapotranspiració i es conclou proposant una periodificació de les alimentacions compatible amb els horaris laborals, s’obtenen així uns intervals del valor de l’espessor de la capa, per a cadascun dels quals es dóna un període i un volum d’alimentació.