Método De Los Elementos Finitos Para La Resolución De Modelos Matemáticos De Procesos Anaerobios En Sistemas De Depuración Natural (Sdn) Para El Tratamiento De Efluentes Con Alta Carga Orgánica

Abstract

El incremento de la producción de las explotaciones ganaderas intensivas en todo el mundo, juntamente con la mala gestión del estiércol que éstas generan, aumenta el riesgo de contaminación medioambiental. Las disposiciones legales existentes en torno a la protección del medioambiente, cada vez más exigentes, ha suscitado la necesidad de encontrar soluciones al tratamiento de los excrementos de animales ocasionado por este tipo de instalaciones. Los Sistema de Depuración Natural (SDN) para el tratamiento de aguas residuales son soluciones que se basan en dos conceptos: instalaciones de bajo coste y e ciencia de recursos. Es por ello por lo que se han convertido en una de las alternativas a los métodos convencionales que se vienen aplicando cada vez más en todo el mundo. En este sentido, los Sistema de Depuración Natural basados en Procesos Anaerobios, lagos y lagunas, naturales o arti ficiales (SDN-A) se presentan como una apuesta muy atractiva, ya que son fáciles de usar y precisan de unos requisitos mínimos para la operación y el mantenimiento. En Canarias, los SDN han sido desarrollados desde comienzos del presente siglo, tanto a través de iniciativas públicas como privadas. Las públicas han sido llevadas a cabo, inicialmente, a través del proyecto DEPURANAT, impulsado por el Instituto Tecnológico de Canarias, y recientemente, a través del proyecto MITIMAC, co financiado por el programa europeo INTERREG-Espacio Atlántico. Dentro del ámbito de la Universidad de las Palmas de Gran canaria se han puesto en práctica numerosos proyectos entorno a los SDN. En el año 2000 se construyó un humedal arti ficial para el tratamiento de aguas residuales en el Campus de Ta ra y posteriormente, en el año 2008, el Departamento de Ingeniería de Procesos y el Instituto de Estudios Ambientales y Recursos Naturales (i-UNAT) traza una línea de investigación para la construcción de varios humedales artifi ciales a escala real, junto a granjas ganaderas que se materializa, posteriormente, en una tesis doctoral dentro del Programa de Doctorado de Ingeniería Ambiental y Desalinización de la propia Universidad. Con el objetivo de mejorar el entendimiento de los SDN a través modelos determinísticos, el propio i-UNAT impulsa, Finalmente, una nueva propuesta de investigación con el propósito de desarrollar un marco teórico para profundizar el conocimiento de los fenómenos que inciden en un SDN. Durante los últimos 60 años se ha venido publicando una cantidad importante de estudios que tratan de predecir el comportamiento de los SDN. La mayor parte de los modelos planteados son de tipo Caja Negra o Caja Gris, de los cuales estos últimos combinan modelos de conocimientos con modelos empíricos. Por otro lado, existe pocas publicaciones que proponen modelos tipo Caja Blanca, especialmente, los basados en procesos. En su mayoría han sido diseñados para humedales arti ficiales y se han apoyado en programas informáticos comerciales para su resolución. Debido a la necesidad de ampliar los conocimientos entorno a los SDN, los principales objetivos de este trabajo de Tesis han sido: primero, desarrollar un modelo matemático basado en procesos que permita describir el comportamiento dinámico de los microorganismos anaerobios dentro de un SDN-A. Y segundo, desarrollar una metodología de cálculo con el n de poder obtener resultados adecuados para la caracterización cuantitativa y cualitativa de los diferentes fenómenos que concurren dentro de estas Lagunas Anaerobia (LA). Para ello se propone un modelo integrado por un sistema de Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales (EDP) de segundo orden y de tipo parabólico que contiene, por un lado, las ecuaciones de Advección-Difusión-Reacción (ADR), de Stokes y de Energía, y por otro, el Modelo de Digestión Anaeróbica No1, Anaerobic Digestion Model No1 (ADM1), desarrollado por The International Water Association (IWA). El procedimiento escogido para la resolución de este modelo ha sido el uso del Método de los Elementos Finitos (MEF) y el diseño de un algoritmo basado en el cálculo en paralelo a través de la Interfaz de paso de mensajes - Message Passing Interface (MPI). Con el uso del lenguaje de programación FreeFem++, software de código abierto, ha sido posible resolver las EDP planteadas y simular las diferentes variables contempladas en el problema. Este documento ha sido divido en cuatro partes: La primera incluye el consentimiento de los coautores de los artículos para su inclusión en la tesis. La segunda parte está dedicada a la introducción. Se inicia con los antecedentes del estudio donde se destaca la importancia que tienen en la actualidad los SDN. La elección de este tipo de tecnología en las zonas rurales es cada vez mayor, tanto en Canarias como en todo el mundo. En esta parte se describen los objetivos y se presentan los manuscritos publicados, motivos de esta Tesis por Compendio de Publicaciones. Posteriormente, en el capítulo Justi cación de la Unidad Temática de la Tesis se muestra el desarrollo de la investigación a través de los diferentes manuscritos publicados. Se fi naliza con el Estado del Arte, donde se describe el conocimiento referente a los modelos que se han desarrollado en torno a los SDN y se plantea la necesidad de futuras contribuciones. La tercera parte de esta Tesis se inicia con la exposición de los manuscritos publicados, los cuales han sido ordenado de manera cronológica, conforme a la fecha de su publicación. Se completa este apartado con los resúmenes en español de cada uno estos manuscritos. En la cuarta y última parte se describe las conclusiones finales, así como las posibles aportaciones que puedan ser desarrolladas por otros grupos de investigación en trabajos futuros.