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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38965
Title: Hydrodynamic assessment of different UASB reactor’s influent distribution systems to improve granulation
Authors: Cisneros Ramos, Juan Fernando
metadata.dc.contributor.advisor: Alvarado Martínez, Andrés Omar
metadata.dc.ucuenca.correspondencia: juan.cisneros20@hotmail.com
metadata.dc.subject.other: Recursos hídricos
Keywords: Ingeniería Civil
Hidrodinámica
Mecánica de fluídos
metadata.dc.audience.educationLevel: Tesis de Doctorado (PhD) en Recursos Hídricos
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: 33 Ciencias Tecnológicas
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: 3301.12 Hidrodinámica
metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: 3301 Ingeniería y Tecnología Aeronáuticas
Issue Date: 17-May-2022
metadata.dc.ucuenca.embargoend: 31-May-2027
metadata.dc.ucuenca.paginacion: 121 páginas
Publisher: Universidad de Cuenca
metadata.dc.description.city: 
Cuenca
Series/Report no.: TPHD;16
metadata.dc.type: doctoralThesis
Abstract: 
Wastewater treatment systems are implemented to remove wastewater pollutants before discharge into receiving water bodies. Wastewater can negatively affect the ecosystem of the receiving water body if proper treatment is not conducted. Despite its importance, small coverage of wastewater treatment systems has been achieved worldwide mainly due to the related high construction and operating costs. According to the Food and Agriculture Organization, about 80% of the world’s wastewater generation is discharged into the environment without any treatment, especially in low-income countries. Anaerobic biological wastewater treatments could be an answer to reduce treatment costs. Anaerobic technologies offer advantages over competing technologies such as reduced land footprint, small reactor volume, reduced excess sludge production, and the ability to recover energy through methane capture. The most widespread anaerobic technology worldwide is the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor. The UASB reactor uses an upward flow to produce granular sludge capable of treating high organic loads. Although there is extensive information on the microbiology of these granules and their efficiency in treating different wastewater qualities, further research is required to better understand the relationship between granule formation and reactor hydrodynamics. Flow hydrodynamics, almost entirely controlled by the reactor's Influent Distribution System (IDS), is key to consider during the UASB reactor’s design since it modules the substrate distribution inside the reactor and the formation of stagnant and short-circuited zones. The IDS role is critical, especially during the reactor's start-up stage when the granular sludge starts to form. This thesis aimed to advance our understanding of the flow hydrodynamics impact on the operation and efficiency of the UASB reactor during its startup stage. The research was divided into two main stages. The first stage was dedicated to physically modeling the reactor using a Froude dynamic similitude scaled reactor and developing an automated tracer testing system. This system allowed us to determine the importance of controlling the test water's conductivity, temperature variation, and surface tension during the tracer tests. The second stage was devoted to numerically modeling the hydrodynamics of the UASB reactor using computational fluid dynamics (CFD) simulations. Initially, the research focused on finding the turbulence closure model that best reproduced the reactor’s hydrodynamics. Thus, CFD simulations were conducted using the realizable k-epsilon model to assess the potential volume of granule generation for IDS configurations commonly used in the literature. The simulations confirmed that the IDS configuration recommended by the design guidelines has a high performance in reducing stagnant and short-circuited zones. This research proposed a novel IDS configuration that generated a granulation volume 22% larger than the recommended IDS configuration, potentially reducing UASB reactor start-up time. The research demonstrates the potential of using physical and numerical techniques as a basis for the model-based design approach to solve problems specific to UASB reactors, an approach that could be extrapolated to other types of reactors.
Description: 
Los sistemas de tratamiento de aguas residuales son implementados para eliminar contaminantes de las aguas residuales antes de su descarga en los cuerpos de agua receptores. Las aguas residuales pueden afectar negativamente el ecosistema de un cuerpo de agua receptor si no se brinda el tratamiento adecuado. A pesar de su importancia, alrededor del mundo se ha logrado tener una reducida cobertura de tratamiento de aguas residuales, debido a los sus altos costos de construcción y operación. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, alrededor del 80% de la generación mundial de aguas residuales se vierte al medio ambiente sin ningún tratamiento, especialmente en los países de bajos ingresos. Los tratamientos biológicos anaeróbicos de aguas residuales pueden ser una potencial solución para reducir los costos de tratamiento. Las tecnologías anaeróbicas ofrecen ventajas sobre las tecnologías competidoras, como el requerimiento de uso de suelo, reactores de pequeño volumen, reducida producción de lodos residuales y la capacidad de recuperar energía a través de la captura de metano. La tecnología anaeróbica más extendida en todo el mundo es el reactor anaerobio de flujo ascendente o UASB. El UASB utiliza un flujo ascendente para producir lodos granulares capaces de tratar altas cargas orgánicas. Aunque existe una amplia información sobre la microbiología de estos gránulos y su eficiencia en el tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales, se requiere más investigación para comprender mejor la relación entre la formación de gránulos y la hidrodinámica del reactor. La hidrodinámica de flujo, controlada casi en su totalidad por el sistema de distribución de afluentes o IDS, es pieza clave a considerar durante el diseño del reactor UASB, pues controla la distribución del sustrato dentro del reactor y está directamente relacionada con la formación de zonas de flujo estancadas y cortocircuitadas. El papel del IDS es crítico especialmente en la etapa de puesta en marcha del reactor, durante la formación del lodo granular. Esta tesis tuvo como objetivo avanzar en la comprensión del impacto de la hidrodinámica de flujo en la operación y eficiencia del reactor UASB durante la etapa de puesta en marcha. La investigación se dividió en dos etapas principales. Durante la primera etapa se modeló físicamente el reactor utilizando un reactor escalado con similitud dinámica de Froude y se desarrolló un sistema automatizado para pruebas de trazador. Este sistema permitió determinar la importancia de controlar la conductividad del agua de prueba, la variación de temperatura y la tensión superficial durante las pruebas de trazador. Durante la segunda etapa se modeló numéricamente la hidrodinámica del reactor utilizando dinámica de fluidos computacional (DFC). Inicialmente, la investigación se centró en encontrar el modelo de cierre de turbulencia que mejor reproducía la hidrodinámica del reactor UASB. Así, las simulaciones DFC se llevaron a cabo utilizando el modelo k-epsilon realizable para evaluar el volumen potencial de generación de gránulos para configuraciones IDS comúnmente utilizadas en la literatura. Las simulaciones confirmaron que la configuración IDS recomendada por las guías de diseño tiene un alto rendimiento al reducir las zonas de flujo estancadas y cortocircuitadas. Esta investigación propuso una nueva configuración IDS que generó un volumen de granulación 22% mayor que la configuración IDS recomendada, lo que podría reducir el tiempo de puesta en marcha del reactor UASB. La investigación demuestra el potencial del uso de técnicas físicas y numéricas como base para el enfoque de diseño basado en modelos para resolver problemas específicos de los reactores UASB, un enfoque que podría extrapolarse a otros tipos de reactores.
metadata.dc.description.degree: 
Doctor (PhD) en Recursos Hídricos
URI: http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38965
Appears in Collections:Tesis Doctoral/PHD

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