La dinámica de fluidos computacional, una herramienta clave para avanzar hacia un tratamiento sostenible del agua

Mi camino hacia la industria del agua ha sido algo poco convencional, dada mi experiencia en ingeniería mecánica. Sin embargo, este camino me ha dado diferentes perspectivas sobre algunas de las áreas de investigación que creo que son de importancia crítica. La dinámica de fluidos computacional (CFD) es el área en la que paso la mayor parte de mi vida laboral, y creo que está lista para ser una herramienta clave para avanzar hacia un tratamiento de agua sostenible, especialmente en el desarrollo de esquemas de tratamiento con una huella energética más baja, y en la optimización de procesos de recuperación de recursos hídricos. Esta es un área subestimada en el sector del agua y más jóvenes profesionales del agua deberían considerar aprender sobre CFD, mientras que los profesionales de CFD deberían aplicar sus habilidades al sector.

Cuando me gradué con mi doctorado hace seis años, se centró en el modelado CFD. Sin embargo, mi especialidad era el desarrollo de algoritmos y códigos, y trabajé en aplicaciones que incluían materiales porosos y transferencia de calor. Siguió una beca posdoctoral en la Universidad de Waterloo, Canadá, donde hice una pasantía como desarrollador de código en ANSYS Inc. Solo dos años después se presentó la oportunidad de participar en la industria del agua, como analista de CFD en Trojan Technologies. Ahora que estoy de regreso como miembro de la facultad en Western University, mis intereses de investigación en el tratamiento del agua han continuado.

Tengo muchas opciones en cuanto a los tipos de problemas de investigación que estudio. Si bien todavía estoy muy involucrado en el trabajo de desarrollo de algoritmos de CFD, también mantengo un programa de investigación activo que se centra en las aplicaciones del modelado de CFD en el sector del agua. No estoy solo, otros investigadores están comenzando a usar CFD en la investigación del agua y hay potencial para hacer mucho más.

El tema central de mi grupo de investigación es la sostenibilidad en la recuperación de recursos hídricos y la gestión de energía térmica. En la parte de recuperación de recursos hídricos de mi investigación, actualmente tengo proyectos activos en las áreas de filtración, lodos activados y fotobiorreactores. El tratamiento efectivo de las aguas residuales no solo es esencial para proteger la salud humana y el medio ambiente, sino que también tiene el potencial de convertirse en una oportunidad para recuperar recursos valiosos como nutrientes y energía. Esto ha llevado a repensar los servicios públicos desde el ‘tratamiento de aguas residuales’ hasta la ‘recuperación de recursos hídricos’ para abordar problemas globales como la escasez de agua y la producción de energía, así como el cambio climático.

En general, el tratamiento de aguas residuales consume mucha energía, lo que tiene implicaciones en términos de costos y efectos ambientales. Curiosamente, la mecánica de fluidos se convierte en un tema crítico en muchos procesos donde la mezcla es importante. Muchos modelos de procesos existentes consideran solo modelos hidrodinámicos simplificados, que pueden no ser adecuados para esquemas de tratamiento más avanzados o durante operaciones fuera de diseño. Mi trabajo de investigación se esfuerza por estudiar los efectos de la hidrodinámica con más detalle, lo que se logra más fácilmente usando CFD. A medida que se desarrollen procesos de tratamiento más avanzados, la importancia de comprender la hidrodinámica y las interacciones con las fases gaseosa y sólida será cada vez más importante.

Uno de los proyectos CFD en los que estoy trabajando actualmente implica el modelado de fotobiorreactores (PBR), un sistema que se puede utilizar en el contexto de la filosofía emergente de recuperación de recursos hídricos conocida como «partición, liberación y recuperación». En este esquema, los nutrientes y los compuestos orgánicos se asimilan a la biomasa (partición) que se alimenta a los digestores anaeróbicos para la producción de biogás (liberación) y la recolección de nutrientes (recuperación). El biogás se utiliza para la producción de energía (al mismo tiempo que se mitigan las emisiones de gases de efecto invernadero) y los nutrientes se venden para aplicaciones como fertilizantes.

Los PBR representan un tipo ideal de problema para ser resuelto por CFD, ya que comprender las interacciones entre la biocinética del proceso y los campos de flujo y radiación (luz) es fundamental para un rendimiento óptimo. Dado que el cultivo mixto absorbe la luz, una buena mezcla es esencial para llevar las bacterias fototróficas a las superficies iluminadas para que puedan recibir energía para crecer. Mi grupo, en colaboración con la Universidad de Queensland, ha desarrollado un modelo CFD para PBR que incluye solucionadores acoplados de flujo, biocinética y radiación. Tales herramientas serán clave para ampliar y optimizar los reactores PBR, lo que permitirá una mayor recuperación de recursos.

En los próximos años, el uso de CFD aumentará y se convertirá en una práctica más generalizada en la industria del agua. Sin embargo, las discusiones con profesionales y consultores de la industria parecen indicar que, aunque están interesados ​​en adoptar CFD como herramienta, les preocupa el costo computacional. Es fundamental que trabajemos para desarrollar herramientas más eficientes desde el punto de vista computacional que puedan basarse en CFD, pero que no requieran necesariamente una simulación CFD completa para cada condición de diseño. Los modelos compartimentales son una forma de tener en cuenta la información detallada de las simulaciones CFD, pero enmarcadas dentro de los marcos de modelado de procesos familiares que utilizan todos los profesionales.

Todavía hay muchas preguntas sin respuesta sobre cómo implementar este enfoque y sobre la idoneidad de este enfoque de modelado. Una pregunta de investigación importante que debe abordarse es cómo simplificar los modelos CFD de estos procesos de tratamiento, de modo que los profesionales puedan utilizarlos de manera eficiente. Todavía no hemos arañado la superficie del desarrollo de tales modelos, y esta es un área madura para la innovación en los próximos años.

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Chris DeGroot es copresidente y presidente del programa del próximo Conferencia Internacional de Jóvenes Profesionales del Agua a realizarse del 23 al 27 de junio de 2019, Toronto, Canadá. Chris es profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universidad de Western en Londres, Canadá.