El disseny actual de reactors per al tractament biològic d’aigües residuals està enfocat a desenvolupar nous processos amb una òptima capacitat d’eliminació, un baix cost econòmic en consum de matèries primes i energia, i un mínim impacte ambiental. Els models matemàtics i la simulació poden ajudar a determinar i validar els paràmetres claus de disseny, escurçant d’aquesta manera la durada dels treballs experimentals de R+D+I. Tot i així, encara cal incrementar la capacitat computacional d’aquestes eines i superar les limitacions d’alguns models actuals, com ara l’assumpció d’una “mescla perfecta”.
La tesi "Integrating computational fluid dynamics and biological models to assess wastewater reactor design" d’Albert Vilà Rovira ha integrat models biològics - en concret, models de fangs activats “ASM” (en anglès, Activated Sludge Models) - amb eines de simulació de dinàmica de fluids computacional “CFD” (en anglès, Computational Fluid Dynamics), i les ha aplicat al disseny de dues tecnologies avançades per al tractament de les aigües residuals: les “Microbial Fuel Cells” o piles bioelectroquímiques i el procés “Anammox”. El sistemes de tractament d’aigües residuals basats en Microbial Fuel Cells aprofiten l’activitat catalítica bioelectroquímica de determinats microorganismes per oxidar compostos orgànics i produir electricitat sense necessitat d’addicionar compostos químics. També en el procés Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) els protagonistes són els microorganismes, en aquest cas per eliminar de manera autotròfica compostos de nitrogen, i reduir així la quantitat de fangs generats i les necessitats d’aeració. L’investigador ha realitzat la tesi doctoral al grup LEQUIA de la Universitat de Girona, amb un gran bagatge en projectes de recerca experimental i contractes de transferència per optimitzar aquestes dues tecnologies. Això li ha permès interaccionar amb investigadors experts i conèixer de prop la seva implementació a escala industrial.
Els resultats obtinguts demostren que el potencial d’integrar la dinàmica de fluids computacional i els models biològics per dissenyar reactors biològics de tractament d’aigües residuals, és molt alt. Entre els paràmetres que s’han estudiat destaca la influència de la configuració del reactor en la distribució del substrat i en les velocitats d’eliminació de nutrients. En el cas de les Microbial Fuel Cells, s’han avaluat diferents materials per a l’elèctrode i s’ha considerat la geometria, composició i propietat elèctriques. L’ús de grafit granular i malla d’acer inoxidable ha resultat afavorir la distribució del flux a través de l’ànode, essent l’última opció la més vàlida per les seves propietats elèctriques i baix cost. Pel que fa al procés Anammox, s’ha demostrat que l’ús de plats interns afavoreix la distribució del flux i que la introducció de corrents d’alimentació laterals al llarg de la columna del reactor augmentaria la velocitat d’eliminació de compostos de nitrogen. Per obtenir resultats de simulació més fiables, es podria incloure una fase sòlida que representés el fang involucrat en el procés biològic.
Imatge: Resultats simulació CFD per un reactor MFC amb electrode de grafit i grafit granular, i per un reactor Anammox
