Diagnóstico de operación para un clarificador-floculador de una planta potabilizadora de Tabasco a partir del análisis de dinámica de fluidos por computadora

Abstract

En la actualidad Tabasco enfrenta un gran reto en la potabilización de aguas para el consumo humano, algunos de ellos son satisfacer la demanda de la ciudadanía, realizar remodelaciones a las plantas existentes para ampliar su capacidad de potabilización y sobre todo proveer un efluente de calidad. En su mayoría las potabilizadoras en el estado utilizan la clarificación convencional como tecnología para tratar el agua cruda captada de los ríos que atraviesan el estado. De acuerdo con el Inventario Nacional de Plantas Municipales (CONAGUA, 2014) y al Censo de Población y Vivienda (INEGI, 2015) la capacidad instalada nacional es de 138,045 L/s con una capacidad real de potabilización de 96,275 L/s. De acuerdo a esta información de 2014, el Sistema Nacional de Potabilización es capaz de ofrecer una dotación promedio diaria de 70 L per cápita, una dotación mucho menor a la dotación promedio de 180 L per cápita de los países de la OECD. Por su parte, en Tabasco operan 39 plantas potabilizadoras con una capacidad instalada de 9,960 L/s y una capacidad de procesamiento real de 8,465 L/s. Tomando como punto de referencia a esta capacidad de procesamiento, la dotación promedio es de 305 L per cápita, un valor que contrasta con la proporción de viviendas particulares habitadas con disponibilidad de agua entubada en Tabasco que es de 73.5%. Considerando que estas cifras estadísticas sean correctas, lo anterior implica que una porción de la población tabasqueña recibe más de 300 L de agua potable per cápita diariamente mientras que la cuarta parte de la población no tiene acceso a agua entubada, mucho menos a agua potable. En Tabasco, el problema de acceso al agua potable no sólo se debe a una gestión inadecuada de este recurso sino a que las fuentes de agua disponibles están siendo contaminadas por las propias aguas residuales domésticas, agrícolas e industriales. En adición, la infraestructura para el tratamiento de agua potable posee una cobertura limitada de la población, debida, entre otros factores importantes, al presupuesto restringido de las instancias gubernamentales para la operación y mantenimiento de los sistemas de potabilización de agua. Del total de plantas potabilizadoras nacionales, el 31% emplea la tecnología de clarificación convencional. En Tabasco, la proporción de plantas potabilizadoras con dicha tecnología es aún mayor: el 63% (CONAGUA, 2014). Una de las etapas clave en la tecnología de clarificación y potabilización del agua es el proceso unitario de coagulación-floculación, cuyo propósito es disminuir la turbiedad y el color del agua empleando agentes químicos para neutralizar las cargas electrostáticas que impiden que la materia suspendida, principalmente de tipo coloidal, pueda formar aglomerados llamados flóculos que sean capaces de sedimentar por la acción de la gravedad (Sincero y Sincero, 2003). Por lo anterior, se requiere de una evaluación de su desempeño bajo condiciones climatológicas y meteorológicas de Tabasco, Estado que se caracteriza por sus temperaturas cálidas y lluvias abundantes durante todo el año. La clarificación y floculación del agua es fundamental en la remoción de los sólidos suspendidos; su principio de operación se establece por la acción de la gravedad para el asentamiento de las partículas, así como en la aglomeración de éstas para la formación de flóculos, cuyo gran tamaño permite una velocidad de sedimentación mayor y, como resultado, una clarificación mejorada del agua tratada. Sin embargo, la comprensión de los aspectos fluidodinámicos y fenomenológicos que ocurren dentro del tanque de floculación se vuelve complejo debido a la interacción entre los agentes coagulantes (metálicos y polímeros) utilizados para desestabilizar la materia coloidal presente en el agua y el movimiento del agua dentro del tanque. Aunado a lo anterior, el desempeño del tratamiento se ve reflejado en las lecturas de turbiedad que presenta el agua tratada al final del proceso. De acuerdo con la normatividad mexicana (NOM-127-SSA-1994), el agua tratada no debe contener turbiedades mayores a 5 unidades nefelométricas de turbiedad (UNT). La turbiedad es un parámetro de caracterización de la calidad del agua que puede correlacionarse directamente con la concentración de sólidos suspendidos en el agua, una variable que puede estimarse con un balance de masa acoplado a un balance de cantidad de movimiento. En esta investigación se empleó una herramienta computacional conocida como Dinámica de Fluidos por Computadora (mejor conocido como CFD, del inglés Computational Fluid Dynamics) con el objetivo de diagnosticar la operación de un tanque de clarificación-floculación con tecnología de vanguardia. Para ello se utilizará el software ANSYS® Fluent, con el cual se realizarán tres funciones principales: i) diseñar una geometría precisa del tanque clarifloculador, ii) generar una malla numérica tridimensional para la solución de las ecuaciones de conservación empleando métodos de volumen finito, y iii) establecer las características del modelo, tales como: sistema de coordenadas del modelo, número de fases, materiales o especies químicas involucradas, propiedades termofísicas, condiciones de operación, particularidades de los fenómenos de transferencia de masa, calor y cantidad de movimiento, así como diversos parámetros numéricos requeridos. Los modelos CFD permiten representar los fenómenos de transporte (masa, energía y cantidad de movimiento) en estado no estacionario, en dos o tres dimensiones espaciales, considerando una o más fases de materia y con la posibilidad de incluir la cinética química de un sistema reactivo. Un análisis CFD de esta naturaleza permitiría establecer el efecto de variaciones en el caudal, la concentración de sólidos suspendidos, así como el tamaño promedio de partícula del agua empleada como materia prima para potabilización. Como resultado de este análisis será posible determinar una región de operación que optimice el desempeño de la unidad de clarificación-floculación en función de las condiciones ambientales del Estado y con el objetivo final de mejorar la calidad del agua potable.