Resumen en español

Las lagunas facultativas son ecosistemas acuáticos construidos con el propósito de descontaminar aguas residuales. Estas, son sistemas de tratamiento de bajo costo, fácil operación y mantenimiento por lo que son ampliamente utilizadas en países en desarrollo, especialmente aquellos ubicados en zonas tropicales donde hay disponibilidad de radiación solar en cualquier época del año. Su diseño debe favorecer el desarrollo de una amplia variedad de microorganismos y procesos físicos, químicos y biológicos que al interrelacionarse favorecen la depuración de las aguas contaminadas. Esto, ha cautivado la atención de los investigadores quienes han buscado entender cómo se desarrollan los procesos de biorremediación en este tipo de ecosistemas. Para ello, se han desarrollado herramientas como los modelos computacionales, especialmente aquellos que involucran técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en ingles). Los modelos CFD han sido una de las herramientas más utilizadas en los últimos 20 años y han permitido representar fenómenos como la hidrodinámica de la laguna y la transformación de algunas especies químicas asociadas a los ciclos del carbono y nitrógeno. Recientemente, se han comenzado a acoplar modelos CFD y ecológicos con el objetivo de obtener una mejor representación de este tipo de ecosistemas. Por lo anterior, en esta investigación, se construyeron dos modelos CFD en 3 dimensiones de una laguna facultativa secundaria, usada para descontaminar las aguas residuales del municipio de Ginebra - Valle del Cauca - Colombia. Los modelos se desarrollaron usando el software ANSYS Inc. Fluent® (V.16.1) en una estación de trabajo Dell Precisión TX3500. Se empleó el método de volúmenes finitos dividiendo el dominio computacional en 161890 elementos hexagonales, usando el software Ansys Inc® ICEM CFDTM meshing software (V.16.0). Uno de los modelos CFD fue un modelo monofásico, el cual incluyó agua como fluido. El otro modelo, fue un modelo bifásico que incluyó además del agua los sólidos suspendidos del afluente. El campo hidrodinámico de ambos modelos fue validado con dos estudios experimentales de trazadores utilizando el trazador Rodamina WT (RWT). Con el modelo bifásico se simuló el fenómeno de transporte de sólidos en la laguna, la penetración de la radiación solar incidente en el cuerpo de agua, el efecto del viento en la superficie, la transferencia de calor a través de las paredes circundantes, los perfiles de temperatura transversal y longitudinal y el transporte de un contaminante orgánico persistente. Este contaminante correspondió al retardante de llama BDE 99 el cual se seleccionó porque se identificó su presencia en el afluente de la laguna. El fenómeno de transporte de sólidos se validó con datos experimentales de la concentración de sólidos suspendidos. Los fenómenos de transferencia de energía con datos experimentales de temperatura y el transporte del retardante de llama con datos experimentales de la concentración del BDE 99. Estos últimos fueron medidos en el laboratorio del Grupo de Investigación en Contaminación Ambiental por Metales y Plaguicidas (GICAMP) de la Universidad del Valle. Como complemento a los modelos CFD se construyó un módulo ecológico para representar el calor de reacción de los procesos de biorremediación de amonificación, nitrificación, fotosíntesis y respiración. Para ello, las correlaciones entre variables ecológicas se construyeron utilizando un artificio estadístico conocido como modelos lineales mixtos generalizados. Estos, fueron implementados en el software Stella by Isee System. Los modelos lineales mixtos generalizados se construyeron siguiendo una estrategia que describe la relación entre una variable respuesta y una o varias variables explicativas. Con estos modelos y gracias a la incorporación de factores fijos y aleatorios se intentó dar cuenta de la complejidad del ecosistema estudiado, haciéndola más próxima a la realidad.