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

• Autores: Saulo Brito Espino
• Directores de la Tesis: Sebastián Ovidio Pérez Báez (dir. tes.), Alejandro Ramos Martín (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Usero García (presid.), Jenifer Vaswani Reboso (secret.), Baltasar Peñate Suárez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Calidad Ambiental y Recursos Naturales por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: acceda
• Resumen

  • Los sistemas de depuración, basados en lagunas anaerobias, está adquiriendo cada vez más importancia, dentro del entorno rural, para las instalaciones ganadera que tienen dificultades en poder conectarse a los sistemas centralizados de evacuación y tratamiento de las aguas residuales. Estos se presentan como una tecnología alternativa a los métodos convencionales debido a sus ventajas relacionadas con los costes, eficacia y respeto hacia el medio ambiente. Debido a su compleja naturaleza, la optimización de los sistemas de depuración natural formados por lagunas anaerobias está íntimamente ligados a la disponibilidad de modelos matemáticos tanto para su diseño como para su control. En concordancia con gran parte de las publicaciones, la necesidad de desarrollar estos tipos de modelos se justifica puesto que nos permite entender la dinámica de los procesos anaerobios, facilita la posibilidad de perfeccionamiento y, de forma general, ayuda a mejorar el rendimiento de este tipo de tecnologías En la presente tesis, que se formula en la modalidad de "por compendio de publicaciones", contiene tres artículos que tratan sobre el planteamiento de un modelo matemático basado en procesos, así como una metodología para el cálculo que nos permite describir el comportamiento dinámico de los microorganismos que intervienen en los procesos de digestión anaerobia dentro de un biorreactor con mezcla heterogénea para el tratamiento de efluentes con alta carga orgánica. La implementación de modelo ADM1 en el estudio, el empleo del método de los elementos finitos y el diseño de un algoritmo basado en el cálculo en paralelo (MPI) fueron tres de los aspectos fundamentales incluidos en el trabajo que les proporcionaron un carácter innovador frente a otros trabajos ya publicados.

    Los resultados de las simulaciones muestran las distribuciones de las concentraciones de la biomasa y de los sustratos en la laguna para cada uno de los procesos que forman parte de la digestión anaerobia. A través de estas simulaciones es posible realizar estudios comparativos entre supuestos que difieren por sus condiciones de contorno. Además, se puede analizar los efectos de los distintos factores de inhibición o perturbación hacia los diferentes microorganismos que actúan en la remoción del contaminante, como es el caso del pH, nitratos o temperatura.

    El desarrollo de un marco teórico original para el diseño de modelos matemáticos de sistemas de depuración natural basado en lagunas anaerobias y la capacidad de poder incorporar, a cada uno de estos modelos, diferentes cualidades que tienen que ver con los criterios y necesidades en cada instalación, de manera personal e individualizada, son las principales conclusiones de este trabajo. Por otro lado, el diseño de una metodología de cálculo basado en el MPI y el uso de software de código abierto, tanto para el cálculo, FreeFem++, como para el pre y postproceso, GMSH y Paraview permite que quede al alcance de cualquier usuario, con el objeto de poder diseñar modelos adaptados a cualquier tipo de circunstancia, y la posibilidad de poder compartir la información, geometría, mallados y código para usos sucesivos en otras investigaciones.