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http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38965
Título : | Hydrodynamic assessment of different UASB reactor’s influent distribution systems to improve granulation |
Autor: | Cisneros Ramos, Juan Fernando |
Director(es): | Alvarado Martínez, Andrés Omar |
Correspondencia: | juan.cisneros20@hotmail.com |
Materia: | Recursos hídricos |
Palabras clave : | Ingeniería Civil Hidrodinámica Mecánica de fluídos |
Nivel de audiencia: | Tesis de Doctorado (PhD) en Recursos Hídricos |
Área de conocimiento UNESCO amplio: | 33 Ciencias Tecnológicas |
ÁArea de conocimiento UNESCO detallado: | 3301.12 Hidrodinámica |
Área de conocimiento UNESCO específico: | 3301 Ingeniería y Tecnología Aeronáuticas |
Fecha de publicación : | 17-may-2022 |
Fecha de fin de embargo: | 31-may-2027 |
Paginación: | 121 páginas |
Editor: | Universidad de Cuenca |
Ciudad: | Cuenca |
Código Interno : | TPHD;16 |
Tipo: | 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. |
Resumen : | 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. |
Grado Académico: | Doctor (PhD) en Recursos Hídricos |
URI : | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38965 |
Aparece en las colecciones: | Tesis Doctoral/PHD
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