9. Modelo de diseño para remoción de DBO

Todos los sistemas de humedales artificiales pueden ser considerados como reactores biológicos y su rendimiento se puede aproximar al descrito por la cinética de primer orden de un reactor de flujo a pistón.

9.1 Humedales de flujo libre

A continuación, se presenta una ecuación para estimar la remoción de DBO en un sistema de este tipo. El modelo se basa en la experiencia con sistemas de aplicación sobre el suelo y filtros percoladores, dada la escasez de datos sobre sistemas tipo FWS y dado también que estos datos se reservaron para la validación del modelo:

(24)

donde:

C_e: Concentración de DBO en el efluente, mg/l

C_o: Concentración de DBO en el afluente, mg/l

A: Fracción de la DBO no removida como sólidos sedimentables a la entrada del sistema, es una variable que depende de la calidad del agua (es una fracción decimal)

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

A_e: área superficial disponible para la actividad microbiana, m²/m³

L: longitud del sistema (paralelo al flujo), m

W: ancho del sistema, m

y: profundidad promedio del sistema, m

n: porosidad del sistema (espacio disponible para el paso del agua) como fracción decimal

Q: Caudal promedio en el sistema, m³/d

La ecuación (24) se considera teóricamente correcta, pero conlleva dos problemas, que son la dificultad para medir o evaluar los factores A y A_v.

El factor A ha sido medido para sistemas del tipo de la aplicación al terreno de efluentes primarios y corresponde aproximadamente a 0.52 (48% de la DBO aplicada se queda a la entrada del sistema como materia particulada), el valor de A podría incrementarse para efluentes secundarios y terciarios aplicados a un humedal FWS, un valor de entre 0.7 y 0.85 sería el apropiado para efluentes secundarios y 0.9 o mayor para efluentes terciarios altamente tratados.

El valor de A_v es el área superficial disponible en el sistema para el desarrollo de biomasa fija. En los filtros percoladores y los biodiscos corresponde a la totalidad del área mojada y es relativamente fácil de determinar. En un humedal FWS es una medida del área superficial de la porción de la vegetación y de la capa de restos de vegetación que esta en contacto con el agua residual. Como resultado, esto es casi imposible de medir verazmente en un humedal funcionando y lo único que es posible es una aproximación. El valor de A_v recomendado por algunas publicaciones es 15.7 m²/m³.

Dado que el área superficial del humedal (A_s) es igual a (W)(L) es posible sustituyendo y reorganizando los términos de la ecuación (24) obtener una ecuación para estimar el área requerida para obtener el nivel de tratamiento deseado.

(25)

donde:

A_s: área superficial del humedal FWS, m²

K_T: K₂₀^(1.06)(T-20)

K₂₀: 0.2779 d^-1

n: 0.65 a 0.75 (los valores menores son para vegetación densa y madura)

A: 0.52 (efluente primario), 0.7 a 0.85 (efluente secundario), 0.9 (Efluente terciario)

La ecuación (25) puede estimar de forma fiable el área superficial para un humedal FWS. Dadas las dificultades para evaluar A y A_v , se ha realizado una segunda aproximación a partir del análisis de los datos de rendimiento de sistemas de este tipo en operación:

(26)

(27)

(28)

El área superficial del humedal se determinaróa por la ecuación (29):

(29)

donde:

K_T: constante de temperatura proveniente de las ecuaciones (27) y (28), d^-1

y: profundidad de diseño del sistema, m

n: "porosidad" del humedal, 0.65 a 0.75

La profundidad del humedal puede variar durante periodos cortos desde pocos centímetros hasta más de un metro. Las profundidades típicas de diseño van desde 0.1 m a 0.46 m dependiendo de la estación y de la calidad esperada del agua para el sistema.

En climas fríos, donde se espera que se forme hielo durante el invierno, se puede incrementar esa profundidad con el fin de compensar. Durante el verano el sistema puede operar con una profundidad mínima, consistente con la obtención de los objetivos de calidad, para mejorar la transferencia potencial de oxígeno y fomentar un crecimiento vigoroso de las plantas.

La ecuación (29) da como resultado un diseño mas conservador que la ecuación (25) que es la asumida originalmente para estos diseños.

La DBO final de efluente se ve influida por la producción de DBO residual en el sistema, producto de la descomposición de los detritus de las plantas y de otras sustancias orgánicas presentes de manera natural. Esta DBO residual esta típicamente en el rango de 2 a 7 mg/l. Como resultado, la DBO del efluente de un humedal de este tipo proviene de estas fuentes y no del agua residual. Por tanto, las ecuaciones (26) y (29) no pueden ser usadas para diseñar sistemas con una DBO en el efluente final por debajo de los 5 mg/l.

9.2 Humedales de flujo subsuperficial

En esencia, el mecanismo de remoción de DBO en un humedal SFS es el mismo que el descrito para los de tipo FWS. Sin embargo, el rendimiento puede ser mejor en los de flujo subsuperficial ya que tienen un área sumergida mucho mayor que incrementa el potencial de crecimiento de biomasa fija. Un metro cúbico de lecho de humedal que contiene grava de 25 mm puede tener al menos 146 m² de área superficial, además de toda la superficie de las raíces presentes. Un volumen comparable en un humedal FWS podría contener de 15 a 50 m² de área superficial disponible.

Las ecuaciones (26), (27) y (29) son también modelos válidos para el diseño de humedales SFS. La única diferencia es la magnitud de la porosidad (n) y de la constante de temperatura T₂₀. Para humedales SFS, la porosidad varía con el tipo de relleno usado, de acuerdo a la Tabla 4 y puede ser medida por los procedimientos ya estipulados. En cuanto a la constante de temperatura que se define en la ecuación (27), su valor para 20º C es:

(30)

Así como en los humedales FWS, los detritus de las plantas y otras sustancias orgánicas presentes de forma natural, contribuyen a la DBO dentro del sistema SFS. Por lo tanto, estos sistemas tampoco deberían diseñarse para alcanzar niveles de DBO en el efluente ≤ 5 mg/l.

El lecho de los humedales SFS contiene en una profundidad típica de alrededor de 0.6m del medio seleccionado. Este, algunas veces, tiene encima una capa de grava fina de 76 a 150 mm de espesor. Esta grava fina sirve para el enraizamiento inicial de la vegetación y se mantiene seca en condiciones normales de operación. Si se selecciona una grava relativamente pequeña, <20mm para la capa principal donde se realizara el tratamiento, la capa fina superior probablemente no será necesaria, pero entonces, la profundidad total deberá incrementarse ligeramente para asegurar que se tenga una zona seca en la parte superior del lecho.

Muchos humedales SFS actualmente en operación en los Estados Unidos tienen profundidades de 0.6 m. Unos pocos, en climas cálidos donde el riesgo de congelación no es significativo, funcionan con 0.3 m de profundidad. Estas bajas profundidades aumentan el potencial de transferencia de oxígeno, pero hacen necesaria un área superficial mayor y se tiene el gran riesgo de la congelación en climas fríos. La profundidad de lecho de 0.6m requiere una operación especial para inducir la penetración deseada de las raíces hasta el fondo. La contribución al tratamiento de la presencia de las raíces y rizomas en el lecho del humedal se demuestra en la siguiente tabla.

Tabla 6 Comparación del rendimiento de los humedales de Santee, (California, EE.UU.) con y sin vegetación.

*Q=3.04 m³/d, TRH=6 d, dimensiones del lecho, L=18.5 m, W=3.5 m, y=0.76 m, el agua es agua residual primaria, DBO=118 mg/l, SST=57 mg/l, NH₃=25 mg/l

De esta tabla queda claro que el rendimiento en la remoción de DBO, y nitrógeno amoniacal está directamente relacionado con la profundidad de penetración de las raíces. Esta profundidad de penetración se considera el límite potencial de máximo crecimiento, lo que a su vez sugiere que se debe tener el propósito de seleccionar como profundidad de diseño para humedales SFS, una tal, que está algo mas allá de la profundidad potencial de crecimiento de las raíces de la vegetación. Esto se discutirá más a fondo en el capítulo 10.

9.3 Tratamiento preliminar

Para los dos casos, FWS y SFS, se usa tratamiento preliminar. Este puede estar dado por tanques sépticos, tanques Imhoff, lagunas, tratamiento preliminar convencional o sistemas similares.

Este tratamiento preliminar tiene por objeto reducir la concentración de los sólidos orgánicos fícilmente degradables que de otra manera se acumularían en la zona de entrada del humedal y que producirían atascamientos, posibles olores, y efectos negativos en las plantas de esta zona. Un sistema diseñado para alimentación escalonada de agua residual no tratada deberá superar estos posibles problemas.

Un reactor anaeróbico preliminar podría ser útil para reducir la carga orgánica y el contenido de sólidos de un agua residual industrial muy concentrada. Muchos de los sistemas SFS en Europa aplican agua residual cribada y desarenada al lecho del humedal, lo que da como resultado la acumulación de lodos, olores y atascamiento, aunque esto puede ser aceptable para comunidades remotas. En algunos casos la zanja de entrada es usada para la deposición de lodos y dicha zanja es limpiada periódicamente.