Investigación

Cómo la biopelícula y el azufre elemental se reorganizan dentro de un reactor de lecho fijo, y qué le hace eso a la remoción de nitrato en aguas subterráneas.

El nitrato en aguas subterráneas es un problema de salud pública creciente, y la desnitrificación autótrofa con azufre elemental (S⁰) es una de las alternativas más económicas para tratarlo. El problema es que el lecho no es estático: el azufre se consume, la biopelícula crece y el espacio poroso cambia. Ese acoplamiento entre biología y flujo es lo que estudio.

El proyecto combina simulaciones CFD tridimensionales del reactor con técnicas avanzadas de imagen digital que permiten seguir, sin destruir la muestra, cómo evoluciona la estructura interna del lecho. El objetivo es un modelo predictivo que sirva para operar y escalar estos reactores en vez de ajustarlos por prueba y error.

Validar lo que la simulación dice del flujo real dentro de un lecho empacado, usando distribuciones de tiempo de residencia.

Un modelo CFD de un lecho empacado es tan bueno como su validación. Parte central de mi trabajo ha sido desarrollar métodos que confrontan la simulación con mediciones experimentales de distribución de tiempos de residencia (RTD), un observable que integra todo lo que ocurre dentro del reactor: canalizaciones, zonas muertas, mezcla.

He aplicado este enfoque a biofiltros percoladores para el tratamiento de gases contaminantes, combinando tomografía computarizada del material de relleno con simulación CFD, y he desarrollado modelos seccionales híbridos que capturan el efecto del empaque sobre la hidrodinámica a un costo computacional razonable.

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Qué pasa con el flujo, la mezcla y la reacción cuando la biomasa va tapando progresivamente un medio poroso.

En colaboración con el grupo de la Dra. Verónica L. Morales en la Universidad de California, Davis, estudio el bioclogging: la acumulación progresiva de biomasa en un medio poroso y el reencauzamiento del flujo que provoca. Es un fenómeno central en acuíferos, biorremediación y recuperación de suelos, y sigue siendo difícil de predecir.

El trabajo combina experimentos en micromodelos con simulación a escala de poro, y busca entender cómo la permeabilidad de la biopelícula y el patrón de acumulación controlan el transporte reactivo. De aquí salieron dos manuscritos en preparación y presentaciones en AGU e InterPore.

La proyección: convertir simulaciones costosas en modelos rápidos que sirvan para operar y diseñar en tiempo real.

Las tres líneas anteriores convergen en un mismo objetivo de mediano plazo: construir gemelos digitales de reactores, es decir, representaciones computacionales suficientemente rápidas y fieles como para acompañar la operación y el diseño en tiempo real, alimentadas por simulaciones CFD de alta fidelidad y por datos de imagen.

Más adelante, quiero extender estas herramientas al estudio de sistemas acuáticos naturales —lagos y ríos— donde los mismos acoplamientos entre flujo, biología y transporte determinan la calidad del agua.