6.Modelo general de diseño

Los sistemas de humedales artificiales pueden ser considerados como reactores biológicos, y su rendimiento puede ser estimado mediante una cinética de primer orden de flujo a pistón para la remoción de DBO y nitrógeno. En los capítulos 7 a 12, trataremos modelos de diseño para remoción de DBO, sólidos suspendidos, nitrógeno y fósforo, para los dos tipos de sistemas, flujo libre y flujo subsuperficial, así como las consideraciones de tipo hidráulico y térmico. En algunos casos se presentan varios modelos con el objeto de poder comparar dada la falta de consenso universal sobre la mejor aproximación al diseño.

Los modelos de diseño presentados en los capítulos 6 a 12 son los sugeridos por Sherwood C. Reed en su libro Natural Systems for Waste Management and Treatment, por considerarlos los más completos y acordes a los objetivos de este trabajo.

La siguiente es la ecuación básica de los reactores de flujo a pistón:

(1)

donde:

C_e: Concentración del contaminante en el efluente, mg/l

C_o: Concentración del contaminante en el afluente, mg/l

K_T: Constante de reacción de primer orden dependiente de la temperatura, d^-1

t: tiempo de retención hidráulica, d

Este tiempo de retención hidráulica en el humedal puede ser calculado con la siguiente expresión:

(2)

donde:

L: Largo de la celda del humedal, m

W: Ancho de la celda del humedal, m

y: Profundidad de la celda del humedal, m

n: porosidad, o espacio disponible para el flujo del agua a través del humedal. La vegetación y los residuos ocupan algún espacio en los humedales tipo FWS, y el medio, raíces y otros sólidos hacen lo mismo en los del tipo SFS. La porosidad es un porcentaje expresado como decimal.

Q: Caudal medio a través del humedal, m³/d

(3)

donde:

Q_e: Caudal de salida, m³/d

Q_o: Caudal de entrada, m³/d

Puede ser necesario calcular el caudal medio mediante la anterior expresión, para compensar las pérdidas o ganancias de agua causadas por filtración o precipitaciones a lo largo del flujo del agua residual a través del humedal. Un diseño conservador debe asumir que no existen pérdidas por filtración y adoptar una estimación razonable de las pérdidas por evapotranspiración y ganancias por lluvia de los registros históricos del lugar, para cada mes de la operación. Esto requiere una primera suposición del área superficial del humedal para poder calcular el agua extra que entra o sale. Es usualmente razonable para un diseño preliminar suponer que los caudales de entrada y salida son iguales.

Es entonces posible determinar el área superficial del humedal combinando las ecuaciones (1) y (2):

(4)

donde:

A_s: área superficial del humedal, m²

El valor de K_T para las ecuaciones (1) y (4)

depende del contaminante que se quiere eliminar y de la temperatura; esto se discutirá mas adelante.

Como las reacciones biológicas del tratamiento dependen de la temperatura, es necesario para un buen diseño, estimar la temperatura del agua en el humedal. El rendimiento y la viabilidad de los humedales de tipo FWS en climas muy fríos están también influidas por la formación de hielo en el sistema. En el caso extremo, un humedal relativamente poco profundo podría congelarse, lo que daría lugar a un cese del proceso. Por tanto, se tratarí también el procedimiento de cálculo para estimar la temperatura del agua en el humedal y el grosor de la capa de hielo de formarse ésta. (Véase el capítulo 8)

El diseño hidráulico de un humedal es tan importante como el de los modelos que calculan la remoción de contaminantes, ya que estos modelos están basados en que se asume un flujo a pistón con un flujo uniforme a través de la sección del humedal y con mínimos flujos preferenciales. Muchos sistemas existentes fueron diseñados sin tener la suficiente consideración de los requerimientos hidráulicos, lo que llevó a obtener condiciones no esperadas de flujo, incluidos cortocircuitos y consecuencias adversas sobre el rendimiento esperado. Estos problemas están considerados en el procedimiento de diseño hidráulico que aquí se presenta.(Véase capítulo 7)

Un diseño válido requiere tener en cuenta consideraciones hidráulicas y térmicas, así como la cinética de la remoción. El procedimiento es usualmente iterativo y requiere asumir la profundidad del agua y la temperatura para resolver las ecuaciones cinéticas. De esta manera, se puede predecir el área de humedal requerida para la remoción de un contaminante. El contaminante que requiera la mayor área para su remoción, será el factor limitante en el diseño y controlará el tamaño del humedal. Una vez se conoce el área, las ecuaciones térmicas pueden ser usadas para estimar la temperatura teórica del agua en el humedal. Si este cálculo no coincide con el dato asumido inicialmente se requerirán posteriores iteraciones hasta que estas dos temperaturas converjan. El último paso es usar los cálculos hidráulicos apropiados para determinar la forma final (relación largo:ancho) y la velocidad de flujo en el humedal. Si estos valores finales son significativamente diferentes a los asumidos inicialmente para las ecuaciones de temperatura, serán necesarias nuevas iteraciones.