La Universidad de Santiago idea las depuradoras del futuro

El proyecto acaba de ponerse en marcha bajo la coordinación de Juan Lema Rodicio que explica que el principal objetivo es minimizar los costes de las operaciones y el consumo de energía, reducir la producción de lodos y mejorar su gestión.

Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) del futuro caminan hacia un cambio de concepto que convierta la depuración en una operación sostenible, con menos consumo, menos lodos y en la que el agua tratada se pueda reutilizar en agricultura. Con este propósito, la Universidade de Santiago de Compostela (USC) coordina un ambicioso proyecto, financiado por el programa Consolíder del Ministerio de Educación, que aúna esfuerzos de investigadores de la Escola Técnica Superior de Enxeñaría de la USC, de otros ocho grupos de investigación de España y dos de Holanda.

El proyecto, bautizado como Novedar (por nuevas estaciones depuradoras de aguas residuales) acaba de ponerse en marcha bajo la coordinación de Juan Lema Rodicio, que explica que el principal objetivo es minimizar los costes de las operaciones y el consumo de energía, reducir la producción de lodos y mejorar su gestión, así como hacer posible la reutilización del agua residual para su aprovechamiento. La idea es, por tanto, convertir las actuales estaciones depuradoras en centros de tratamiento y recuperación de agua.

Además de mejorar la calidad de las aguas, añade el profesor de la USC, también se intentará mejorar la de los lodos, liberándolos de contaminantes, tanto de los mayoritarios como de los microcontaminantes responsables, por ejemplo, del cambio de sexo de los animales acuáticos, a los que hasta ahora no se ha prestado la debida atención. La finalidad es de nuevo poder reutilizar los lodos en agricultura, una posibilidad que se está restringiendo debido precisamente a que se ha constatado que se pueden transmitir esos contaminantes a través de la tierra y las plantas.

En cualquier caso, los investigadores buscan también cómo reducir los lodos, que llegan a sumar en todo el país más de dos millones de toneladas al año y que acarrean un problema serio de almacenamiento. Y también recortar el consumo de energía de las estaciones depuradoras, que si se mantiene como hasta ahora, en los próximos años podría significar el 1% del consumo energético del país.

Cada grupo de investigación socio de Novedar, que cuenta con un presupuesto de 4,5 millones de euros, tiene un objetivo concreto, considerando las estaciones depuradoras como un conjunto. "La concepción de la nueva estación será flexible, con adaptación a los diferentes escenarios, dependiendo de su situación (en la costa o en el interior), sus dimensiones, el destino final del efluente...", apunta Juan Lema. La selección de las mejores técnicas se hará a partir de un análisis que contemplará tanto aspectos tecnológicos como ambientales, ecotoxicológicos y económicos .

Lecho fluidizado / Fluidized bed:

La fluidización es un proceso en el cual una corriente ascendente de fluido (líquido, gas o ambos) suspende en su seno un conjunto de partículas sólidas. Desde un punto de vista macroscópico, la fase sólida (o fase dispersa) se comporta como un fluido, de ahí el origen del término "fluidización". Al conjunto de partículas fluidizadas se le denomina también "lecho fluidizado".

Los lechos fluidizados tienen variedad de aplicaciones, entre las cuales se pueden mencionar:

• Clasificación mecánica de partículas en base a su tamaño, forma o densidad.
• Lavado o lixiviación de partículas sólidas.
• Cristalización.
• Adsorción e intercambio iónico.
• Intercambiado de calor en lecho fluidizado.
• Reacciones catalíticas heterogéneas (incluyendo la descomposición catalítica del petróleo).
• Combustión de carbón en lecho fluidizado.
• Gasificación de carbón en lecho fluidizado.
• Bioreactores de lecho fluidizado.

When fluidized, a bed of solid particles will behave as a fluid, like a liquid or gas. Like water in a bucket: the bed will conform to the volume of the chamber, its surface remaining perpendicular to gravity; objects with a lower density than the bed density will float on its surface, bobbing up and down if pushed downwards, while objects with a higher density sink to the bottom of the bed. The fluidic behavior allows the particles to be transported like a fluid, channeled through pipes, not requiring mechanical transport (e.g. conveyer belt).

A simplified every-day-life example of a gas-solid fluidized bed would be a hot-air popcorn popper. The popcorn kernels, all being fairly uniform in size and shape, are suspended in the hot-air rising from the bottom chamber. Because of the intense mixing of the particles, akin to that of a boiling liquid, this allows for a uniform temperature of the kernels throughout the chamber, minimizing the amount of burnt popcorn. After popping, the now larger popcorn particles encounter increased aerodynamic drag which pushes them out of the chamber and into a bowl.

The process is also key in the formation of a sand volcano and fluid escape structures in sediments and sedimentary rocks.

Vídeo mostrando la fluidización de partículas sólidas:

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Fluidized Bed:

This is a closeup of the top section of a fluidized bed. The cell is 30cm tall, by 8cm wide, by 0.8cm deep. The particles are monodisperse glass beads of diameter 309 microns, at an average volume fraction of 10%. The liquid (glycerol/water) is pumped upwards at the base of the cell through the particles to achieve fluidization. Fluidization results in a steady state system where the particles are perpetually sedimenting, and the average particle velocity is zero. The viscosity is high enough here that the Reynolds number is smaller than 1. What can be seen here are the swirling motions due to particle velocity fluctuations that spontaneously arise. The top particle/fluid interface is very sharp, and the fluctuation magnitudes approach zero at the interface

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Circulating Fluidized bed:

There is axial solid segregation that large particles are mainly in the bottom part of the bed and small particles in the top part of the bed. By Kaiwei Chu and Aibing Yu. Copyright: UNSW

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Aplicación industrial de los lechos fluidizados: Fluidized Bed Dryer, secador de lecho fluidizado. El lecho fluidizado está diseñado para secar los productos mientras flotan en una capa de aire o de gas.

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Now playing: Dream Theater - Under a Glass Moon
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Reynolds Number Experiment

Experimentos con el número de Reynolds

During the later half of the 19th century, Osborne Reynolds demonstrated the difference in laminar and turbulent flow and developed an equation to predict the transition from one flow regime to the other.

Photo shows dye stream transitioning from laminar flow to turbulent flow

En la segunda mitad del siglo XIX, Osborne Reynolds demostró la diferencia entre el flujo laminar y el turbulento de los fluidos y desarrolló una ecuación para predecir el transito entre uno y otro flujo. En la imagen transición de flujo laminar a turbulento.

Para ver mejor estas transiciones unos vídeos:

Flujo laminar. Laminar flow in pipe.

Flujo Turbulento. Turbulent flow in pipe.

El número de Reynolds:

Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso es la relación entre los términos convectivos y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos.

Por ejemplo un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000 (típico en el movimiento de una aeronave pequeña, salvo en zonas próximas a la capa límite) expresa que las fuerzas viscosas son 100.000 veces menores que las fuerzas convectivas, y por lo tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un ejemplo del caso contrario sería un cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una cierta carga. En este caso el número de Reynolds es mucho menor que 1 indicando que ahora las fuerzas dominantes son las viscosas y por lo tanto las convectivas pueden despreciarse. Otro ejemplo: En el análisis del movimiento de fluidos en el interior de conductos proporciona una indicación de la pérdida de carga causada por efectos viscosos.

Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. Así por ejemplo en conductos si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento, si se encuentra en medio se conoce como flujo transicional y su comportamiento no puede ser modelado. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación.

Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883. Viene dado por siguiente fórmula:

o

donde

ρ: densidad del fluido

v_s: velocidad característica del fluido

D: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido

μ: viscosidad dinámica del fluido

ν: viscosidad cinemática del fluido

In fluid mechanics and aerodynamics, the Reynolds number is a measure of the ratio of inertial forces (vsρ) to viscous forces (μ/L) and, consequently, it quantifies the relative importance of these two types of forces for given flow conditions.

It is the most important dimensionless number in fluid dynamics and is used, usually along with other dimensionless numbers, to provide a criterion for determining dynamic similitude. When two geometrically similar flow patterns, in perhaps different fluids with possibly different flow rates, have the same values for the relevant dimensionless numbers, they are said to be dynamically similar, and will have similar flow geometry.

It is also used to identify and predict different flow regimes, such as laminar or turbulent flow. Laminar flow occurs at low Reynolds numbers, where viscous forces are dominant, and is characterized by smooth, constant fluid motion, while turbulent flow, on the other hand, occurs at high Reynolds numbers and is dominated by inertial forces, which tend to produce random eddies, vortices and other flow fluctuations.

Fuente: Wikipedia, Flometrics