Experimental basis for the design of horizontal subsurface-flow treatment wetlands in naturally aerated channels with an anti-clogging stone layout

Experimental basis for the design of horizontal subsurface-flow treatment wetlands in naturally aerated channels with an anti-clogging stone layout L. Pozo-Morales · M. Franco · D. Garvi · J. Lebrato ! ! ! 1.#INTRODUCCIÓN## ! La!utilización!de!humedales!artificiales!para!el!tratamiento!de!aguas!residuales!domésticas!se!ha! generalizado! en! las! últimas! décadas!a! pesar! de! que! su! empleo! tienen! origen! en! el! Max! Planck! Institute! (Alemania)!en!los! años!50.!Se! muestran!como! sistemas!flexibles,!con!gran!inercia! ante! cambios! de! caudales! y! cargas,! amplia! integración! en! el! medio! y! de! enorme! simplicidad! de! explotación!y!de!operación,!sin!costes!energéticos.!En!particular!los!sistemas!de!flujo!subsuperficial! (SubSuperficial!Flow!Treatment!Wetland!SSF!TW)!al!no!presentar!lámina!de!agua!en!contacto!con! la! atmósfera! tienen!la! ventaja! adicional! del! bajo! riesgo! de! exposición! directa! a! personas! y! de! aparición! de!insectos! así! como! menor!producción!de! olores!y!protección!térmica!que! reduce! la! posible!estratificación!del!agua!evitando!flujos!preferenciales!(García!et#al.;!2003).!Todo!ello!los! hace!especialmente!indicados!para!utilizar!en!pequeños!y!medianos!núcleos!urbanos.!! ! Sin! embargo,! a! día! de! hoy,!su! aplicación!se! ve! amenazada! por! los! grandes! problemas! de! colmatación! que!presentan!a!corto! plazo!especialmente! los!de! flujo!horizontal! (SSHF)!causando! encharcamientos,! byWpass! del! agua,! disminución! generalizada! de! los! Tiempos! de! Retención! Hidráulicos!(HRT),!efluentes!insuficientemente!tratados!(CasellesWOsorio!and!García,!2007;!Nivala! and!Rousseau,!2009),!generación!de!olores,!mosquitos!e!inutilización!del!sistema!de!depuración.!! Debido! a! las! pequeñas! cargas! organicas! que! soportan! los! requerimientos! de! espacio! para!su! implantación!son!elevados!y!debe!sumarse!que!la!recuperación!de!los!mismos!una!vez!colmatados! es!difícil.!! ! ! Figura!1.!Efecto!de!la!colmatación!en!SSHF!TW!! ! La!magnitud!del!problema!de!los!!atascos!en!los!SS!humedales!horizontales!hace!que!las!causas!de! colmatación!de!los!SSHF!TW!hayan!sido!ampliamente!estudiadas!por!distintos!investigadores!desde! hace!varias!décadas!existiendo!numerosos!estudios!relacionados!así!como!recientes!y!completos! trabajos!de!revisión!(Knowles!et!al.!2011;!!Nivala!en!2012).!Dichas!causas!han!de!ser!analizadas!una! a!una!con!el!objetivo!de!establecer!un!diseño!de!humedal!fiable!incluyendo!aquellos!cambios!que!se! estimen!necesarios.! ! Si! el! atasco! es! causado! por! la! reduccion! drastica! de! la! Conductividad! hidráulica!hasta! niveles! prácticamente!cero,!puede!decirse!que!este!es!el!parámetro!fundamental!de!diseño.!En!todos!los! estudios!esta!bien!documentada!su!disminución!en!los!primeros!metros!de!los!humedales!debido!a! la!sedimentación!de!las!partículas!de!mayor!tamaño!y!al!gran!desarrollo!de!biopelícula.!Esta!última! además,!excreta!un!fango!polimérico!(Madigan!et!al.!2006),!análogo!a!un!gel!(Rittman!and!McCarty,! 1980;!Tanner!and!Sukias,!1995)!relativamente!impermeable!(Taylor!et!al.,!199;!Vandervivere!and! Vaveye,!1992)!y!con!gran!contenido!en!agua.!Las!recomendaciones!de!diseño!en!este!sentido!se! refieren!a!limitación!de!carga!horizontal!en!el!humedal,!basadas!en!correlaciones!encontradas!entre! las!colmataciones!y!las!cargas!de!Sólidos!Totales!en!Suspensión!(SST)!y!de!Materia!Orgánica!(COD).!! ! Las! relaciones! cuadradas! de! la! ecuación! de! KozenyWCarmen! nos! indican! que! conductividad! hidráulica!de!un!medio!poroso!es!muy!sensible!al!tamaño!de!los!poros!(Kadlec!y!Knight,!1996)!por! lo!que!materiales!de!relleno!de!baja!granulometría!son!especialmente!propensos!a!la!obstrucción! rápida!por!oclusión!de!los!poros!de!filtración!(Blazejewski!yWMurat!Blazejewska,!1997;!Platzer!y! Mauch,! 1997;! Langergraber! et! al.,! 2003,! Wallace! y! Knight,! 2006).! Por! este! motivo! se! ha! ido! produciendo!un!aumento!gradual!en!el!tamaño!de!los!lechos!de!piedra!empleados!en! SSHF!TW! (EPA! de! EE.UU.,! 2000;! Iwema! et! al,! 2005.;! Wallace! y! Knight,! 2006;! Kadlec! y! Wallace,! 2009).! La! distribución! de! tamaño! de! partícula! en! el! lecho! y! su! propia! forma,! influyen! también! en! la! conductividad!hidráulica!como!indica!la!ecuación!de!Ergun.!! ! Prestando!especial!atención!a!la!entrada!como!zona!de!obstrucción!preferencial,!la!mayoría!de!los! autores!recomiendan!una!carga!uniforme!de!las!aguas!residuales!sobre!la!mayor!superficie!posible! de! manera! que! el! sistema! recomendado! es! aquel! en! que! la! anchura! supera! la! longitud.! Ello! es! debido! a! que! los! parámetros! de! diseño! normalmente! empleados! en! humedales! artificiales! son! cargas! superficiales.! Sin! embargo,! en! estos! casos,! la! distribución! del! agua! se! convierte! en! un! problema! añadido! registrándose! continuos! problemas! de! obstrucción! y! cargas! no! uniformes! (Murphy!y!Cooper,!2010).!! ! No!obstante,!en!el!diseño!que!se!presenta!en!este!trabajo!no!se!puede!asumir!el!riesgo!de!que!el! agua!sigua!caminos!preferenciales!por!lo!que!ésta!ha!de!ser!convenientemente!dirigida!para!lo!cual! resulta!especialmente!apropiada!una!configuración!en!canal.!Por!otro!lado!el!circuito!de!aireación! previsto! sólo! funcionará! en! un! reactor! en! estricto! flujo! pistón! donde! la! anchura! quede! muy! restringida!en!beneficio!de!la!longitud!ya!que!su!funcionamiento!se!basa!en!la!trayectoria!del!agua!y! el!efecto!succión.!El!flujo!pistón!garantiza!además!el!aprovechamiento!del!volumen!completo!de! reactor! evitando! zonas! muertas.! Finalmente,! teniendo! en! cuenta! que! el! avance! del! agua! es! en! dirección!horizontal!y!no!vertical,!el!parámetro!a!tener!en!cuenta!a!la!hora!de!diseñar!la!entrada!del! humedal!debe!ser!la!sección!transversal!atravesada!por!el!flujo!de!agua!como!ya!apuntan!algunos! autores.!! ! la!presente!investigación!se!centra!en!dos!de!los!factores!importantes!del!proceso,!primero!en!la! distribución!del!agua!a!tratar!en!canales!a!lo!largo!de!un!ancho!necesario!en!los!que!se!maximiza!la! sección!transversal!efectiva!de!entrada!del!agua!para!reducir!la!acumulación!preferencial!de!sólidos! y!proporcionar!una!mejora!en!la!distribución!en!anchura!(Murphy!y!Cooper,!2010)!(Pozo,!2010;! Ecological!2012)!que!junto!al!aumento!de!conductividad!eviten!las!colmataciones!iniciales.!! ! una!vez!actuado!sobre!la!porosidad!del!lecho,!hay!que!actuar!sobre!el!otro!factor!presente!en!el! canal,!las!poblaciones!bacterianas!que!trabajan!en!su!interior.!! Tradicionalmente!se!ha!supuesto!que!la!materia!orgánica!se!descompone!suficientemente!de!tal! manera! que! solamente! los! sólidos! inorgánicos! contribuyen! a! la! obstrucción.! Sin! embargo,! la! enorme! variabilidad! en! las! tasas! de! descomposición! de! la! materia! orgánica,! las! propiedades! altamente! coloidales! de! determinados! compuestos! húmicos! y! sus! propiedades! hidrofílicas! (Christensen! et! al,! 1998;.! Nguyen,! 2000)! con! aproximadamente! un! 80%! en! volumen! de! agua! (Tanner! y! sukias,! 1995)! constituyen! un! gran! potencial! de! obstrucción! de! poros! por! materia! orgánica!que!es,!en!general,!satisfactoriamente!degradada.!! ! Además!hay!que!tener!en!cuenta!el!papel!que!juega!la!densidad!de!la!materia!ya!que!la!pérdida!de! porosidad! atribuible! a! la! acumulación! de! sólidos! inorgánicos! (2.650! kg/m3!de! densidad)! puede! equivaler!a!1W3%!de!los!poros,!(Llorens!et!al.!2009).!Sin!embargo,!la!complejación!con!pequeñas! cantidades! de! material! biológico! puede! formar! un! lodo! gelatinoso! de! baja! densidad! con! alta! capacidad! de! retención! de! agua! (Kadlec! y! Watson,! 1993;! Tanner! et! al,! 1998;.! IWA,! 2000).! La! materia!orgánica!de!densidades!de!33!y!371!kg/m3!aumenta!la!oclusión!de!los!poros!efectivos!entre! 27%!y!77%!(Llorens!et!al.!2009),!estas!circunstancias!se!dan!además!a!bajos!potenciales!Redox! (Kadlec!y!Watson,!1993).!! ! Valores!de!densidad!de!los!lodos!en!la!región!de!entrada!cuatro!veces!menores!que!en!la!región!de! salida!(60!kg/m3!frente!a!240!kg/m3)!son!doblemente!eficaces!para!reducir!la!porosidad!y!por!tanto! colmatar!el!lecho!(66%!versus!28%!de!oclusión)!(Llorens!et!al.,!2009),!con!los!valores!más!bajos!de! conductividad!hidráulica!(20!m/d!frente!45!m/d)!(Pedescoll!et!al.,!2009).!! ! ! Ademas!se!debe!considerar!un!añadido!imortante!en!la!consideración!de!la!actividad!bacteriana:!de! acuerdo! a! los! estudios! previos! (Pozo! et! al,! tu! articulo! anterior!)! un! aumento!excesivo!en! las! condiciones! anaerobias! del! sistema,! anaerobiosis! adicional,! hace! que! se! produzca! una!síntesis! “excesiva”!de!exopolímeros,!polihidroxibutirato!(PHB)!que!acabara!atascando!el!sistema.!! ! En!los!SSHF!TW!tradicionales!el!medio!se!encuentra!saturado!de!agua,!que!desplaza!a!los!gases! atmosféricos!de!los!poros.!En!estos!casos!la!degradación!de!la!materia!orgánica!transcurre!por!vía! anaerobia! (Salas,! Pidre,! Sánchez,! 2007).! Los! exopolimeros! PHB! exudados! al! medio! por! estas! bacterias!son! los! principales! responsables! de! los! atascos! junto! con! la! precipitación! de! fosfatos! (Lebrato,! J.! y! col.;! 1990).! El! PHB! es! un! polihidroxialcanoato! (PHA)! que! está! producido! por! microorganismos!(como!Alcalígenes#eutrophus#o#Bacillus#megaterium)#aparentemente!en!respuesta! a!condiciones!de!estrés!fisiológico.!Principalmente!es!un!producto!de!la!asimilación!del!carbón!(de! glucosa! o! almidón)! que! se! emplea!por! los! microorganismos! como! forma! de! almacenamiento! molecular!de!energía!para!ser!metabolizado!cuando!otras!formas!comunes!de!recursos!energéticos! no! estén! disponibles.! En!los! sistemas!anaerobios! la! formación! de! PHB! se! lleva! a! cabo! por! las! bacterias! metanogénicas! como! reserva! energética! y! de! formación! de! cadenas! orgánicas! para! la! biomasa!celular!(Gaudy,!A.F.;!Gaudy,!E.T.;!1980).!En!general!tienen!propiedades!de!floculantes!lo! que! explica! las! colmataciones! que! se! registran! en! los! SSHF! TW! con! sistemas! de! degradación! biológica! anaerobios! donde! el! exudado! de! estos! exoplimeros! por! parte! de! las! bacterias,! origina! mucinas!y!derivados!que!van!generando!un!biofilm!capaz!de!atrapar!moléculas,!bacterias,!sólidos! en! suspensión,! minerales! redisueltos! por! las! bacterias! de! los! materiales! donde! se! encuentran! y! fosfatos!que!precipitan.! ! ! Estas!circunstancias!ponen!de!manifiesto!la!importancia!de!la!aireación!del!sistema!para!evitar!la! aparición!excesiva!de!PHB!y!la!complejacion!de!materiales!biologicos!!en!un!lodo!gelatinoso!que! ocurren! a! bajos! potenciales! de! oxidación,! ademas! de! las! ya! sabidas! mejoras! en! rendimiento! en! depuración!de!materia!organica,! ! Una!evidencia!de!lo!afirmado!sobre!la!!necesidad!de!aireación!se!!constata!en!los!humedales!de!flujo! vertical!que!funcionan,!en!general,!mucho!mejor!que!los!horizontales!debido!a!que!poseen!mayores! potenciales!de!aireación!por!la!succion!de!aire!conseguido!al!inyectar!agua!a!pulsos!en!el!humedal! (Cooper,!2004).!! ! En! el! presente! trabajo!se! plantea! una! actuación! sobre! la! causas! directas! de! la! colmatación! modificando!la!configuración!del!lecho!y!la!aireación.!De!este!modo!se!actúa!sobre!la!porosidad! para!que!la!inevitable!disminución!inicial!de!conductividad!hidráulica!sea!controlada!y!no!cause! colmatación.! Los! primeros! procesos! que! tienen! lugar! en! el! humedal! son! principalmente! la! sedimentación! de! los! grandes! sólidos! y! el! crecimiento! biopelícula,! en! ocasiones! excesivo,!que! aumenta!las!posibilidades!de!colmatación.!Conforme!el!agua!avanza!los!mecanismos!de!depuración! por!degradación!biológica!de!la!materia!orgánica!predominan!sobre!la!sedimentación!de!sólidos,! ocn!los!problemas!ya!reseñados.! ! Si!es!un!hecho! demostrado!que!el!gradiente!de!conductividad!en!los!HSSF!TWS!llega!a!un!60%! menos! en! la! entrada! que! en! la! salida! y! pudiendo! actuar! sobre! la! porosidad! (Kozeny)! ¿por! qué! mantener!la!granulometría,!en!definitiva!la!porosidad,!constante!en!el!medio?!! ! En!el!presente!artículo!se!propone!un!un!lecho!que!pasa!de!una!porosidad!del!73%!en!los!primeros! metros!al!51%!a!la!salida,!es!decir!para!disminuciones!graduales!de!hasta!el!60%!de!conductividad! hidráulica!se!proponen!aumentos!de!graduales!de!porosidad!del!45%.!Para!ello!se!diseña!un!canal! longitudinal!relleno!de!piedras!de!forma!angulosa!y!sin!geometría!definida,!que!evite!acoplamientos! facilitando! así! la! formación! de! huecos! y! el! aumento! de! la! porosidad,! ademas! se! trabaja! con! granulometría!lo!suficientemente!diversa!como!para!que!dichos!huecos!sean!del!tamaño!apropiado! en!cada!caso.! !! Se!configura!un!lecho!constituido!por!piedra!organizada!por!tamaños!a!lo!largo!del!canal,!partiendo! de!granulometrías!de!200!mm!hasta!50!mm!en!los!últimos!metros.!La!organización!se!realiza!según! una!diagonal!longitudinal!que!parte!del!punto!superior!del!primer!metro!del!lecho!y!termina!en!el! punto!inferior!de!la!salida!del!humedal.!Esta!distribución!ha!dado!excelentes!resultados!en!estudios! previos!a!escala!piloto!(Ecological!engineering,!2012).!! ! Una!granulometría!decreciente!a!lo!largo!del!canal!y!creciente!en!el!eje!vertical,!da!lugar!a!mayor! porosidad!del!lecho!allí!donde!se!prevee!mayor!acumulación!de!sólidos,!para!conseguir!un!aumento! significativo! de! la! conductividad! hidráulica! inicial! con! respecto! a! los! diseños! tradicionales! de! humedales,!y!va!reduciendo!el!tamaño!de!las!piedras!conforme!avanza!el!canal,!de!manera!que!la! porosidad!va!siendo!menor!conforme!menor!es!el!riesgo!de!colmatación!por!sólidos!del!sistema!y!a! su!vez!crece!la!superficie!específica!para!el!desarrollo!de!biofilm!para!aumentar!de!la!degradación! biológica!a!lo!largo!del!canal,!para!disminuir!acumulaciones!de!materia!organica!que!disminuyan!la! porosidad.! Es! decir,! se! trata! de!acoplar! el! canal! a! las! necesidades! de! proceso! en! cada! tramo! y! momento!del!proceso.!! ! Por!todo!ello,!en!esta!investigación!se!ha!trabajado!en!un!diseño!de!facil!construccion!y!simplicidad! de! operación!que! consiga!una! aireación! natural! forzada!que! evite! los! atascos!debidos! a! la! anaerobiosis!adicional!en!el!fondo!y!propicie!procesos!aerobios!en!superficie,!lo!que!contribuye!a! disminuir!colmatación!y!aumentar!depuración!de!materia!organica.!! ! La!base!del!diseño!esta!en!la!configuración!del!lecho!de!piedras!con!mayores!tamaños!de!cámara!de! aire,! actualmente! limitadas! a! unos! 5!cm! por! debajo! de! la! superficie!(cita).! La!cámara! de! aire! subsuperficial!en!contacto!continuo!con!el!agua!!garantiza!la!circulación!de!los!gases!generados!en! el!interior!del!humedal!y!del!aire!atmosférico!exterior.!Ademas!se!desarrolla!un!novedoso!circuito! de!aireación!natural!forzada!mediante!la!instalación!un!pozo!situado!en!los!primeros!metros!del! humedal!en!combinación!con!una!chimenea!en!el!punto!final.!El!pozo!queda!modelado!con!la!propia! piedra!que!rellena!el!lecho!desde!el!fondo!a!la!superficie!mientras!que!la!chimenea!consiste!en!un! tubo!que!partiendo!de!la!base!del!humedal!alcanza!1,5!metros!de!altura!por!encima!de!su!superficie.! El!conjunto!pozoWchimenea!queda!conectado!en!el!seno!de!un!lecho!de!granulometría!decreciente! longitudinalmente!con!una!cámara!de!aire!superior!que!ocupa!el!40%!del!volumen!interno!total.!La! diferencia!de!temperatura!entre!el!exterior!y!el!interior!del!humedal!así!como!los!efectos!de!succión! que!los!pequeños!aumentos!de!velocidad!del!agua!al!avanzar!a!través!de!huecos!cada!vez!menores,! y!la!diferencia!de!presion!atmosferica!entre!el!pozo!y!la!chimenea!propiciarán!el!funcionamiento! del!circuito!de!aireación!con!la!entrada!de!aire!por!el!pozo!y!la!salida!por!la!chimenea.! ! La! suma! de! los! dos! mecanismos,! diagonal! de! piedras! y! sistema! de! aireación! da! lugar! a! una! estratificación!de!procesos,!digestor!anaerobio!equivalente,!DAE,!en!el!fondo!donde!los!fangos!van! digiriendose!a!velocidades!lentas,!y!tuberia!aireada!equivalente!en!la!parte!mas!superficial,!TAE,! donde!el!agua!con!menos!solidos!va!corriendo!rapidamente!a!la!salida.! ! El!objetivo!del!presente!trabajo!es!establecer!las!bases!para!el!diseño!fiable!de!SSHF!TW!basado!en! una!modificación!innovadora,!revolucionaria,!de!su!geometría!y!sus!procesos!que!permita!superar! esas!limitaciones!de!cargas!de!agua!residual!de!entrada!y!los!tradicionales!problemas!de!atascos!en! los! humedales.! Para! ello! se! diseña! la!experimentación! a! escala! real!llevada! a! cabo! en! la! Planta! Experimental!de!Carrión!de!los!Céspedes!(PECC)!Sevilla,!Spain,!en!un!sistema!en!forma!de!canal! longitudinal!de!10!m,!con!una!organización!del!lecho!en!diagonal!de!piedras!grandes,!medianas!y! pequeñas,!que!incluye!un!circuito!de! aireación!natural!forzada,!diseñado!al!efecto!en!base!a!los! estudios!previos!de!las!autores!en!laboratorio!(!Pozo!et!al…).! ! la! investigacion! debe! dar! lugar! a! un! canal! tipo! que! permita! el! desarrollo! de! un! sistema! de! tratamiento!de!aguas!residuales!en!configuracion!de!tantos!canales!en!paralelo,!como!sea!necesario! en!función!de!las!cargas!transversales!de!entrada!teniendo!en!cuenta!la!esperada!disminución!de!la! conductividad!hidráulica!que!debe!tener!lugar!en!los!primeros!metros!de!humedal.!! ! Cada!tramo!inicial!de!canalWhumedal!será!así!mismo!replicado!en!serie!las!veces!que!sea!necesario! hasta!alcanzar!la!longitud!que!garantice!la!calidad!exigida!en!cada!caso!del!agua!de!salida.! ! Por!ultimo!hay!que!considerar!que!un!diseño!de!acuerdo!a!una!geometría!de!canales!trabajando!en! paralelo!en!el!número!que!sea!necesario!permite,!ademas,!un!mantenimiento!con!posibilidades!de! funcionamiento! intermitente!de! algunos! canales,! con! lo! que! se! podra,! en! su! caso,!restaurar! las! condiciones!aerobias!del!agua!y!acelerar!la!mineralización!de!la!materia!que!se!encuentra!obstruida! ya!que!la!periodicidad!carga!y!reposo!determina!la!capacidad!del!sistema!para!operar!sin!oclusión! (Cooper,! 2005).! La! operación! intermitente! puede! ser! también! beneficiosa! para! revertir! la! obstrucción!en!SSHF!TW!(Nguyen,!2000;!Corzo!et!al.,!2008).!! ! El!trabajo!de!investigación!que!se!presenta!se!ha!llevado!a!cabo!con!agua!residual!urbana!por!lo!que! no! se! consideren!problemas! adicionales! que! puedan! aparecer! de! obstrucción! y! adsorcion! relacionados! con! la! eliminación! de! metales,! petróleo! e! hidrocarburos! sintéticos,! nitrógeno! amoniacal,!y!fósforo!(Wallace!y!Knight,!2006),!que!en!general!no!contienen!dichas!aguas.! En!una!segunda!derivada,!este!canal!facilita!la!modelización,!ya!que!permite!el!seguimiento!efectivo! del!funcionamiento!del!humedal!metro!a!metro.!En!los!humedales!tradicionales,!hay!que!ser!muy! cuidadosos!al!hablar!de!conductividad!hidráulica!ya!que!rara!vez!sus!valores!reflejan!las!medidas! de!campo!y!ademas!no!es!posible!el!seguimiento!del!sistema!ni!la!localización!exacta!de!posibles! puntos!conflictivos!en!un!reactor!inaccesible!de!gran!superficie.!Esta!falta!de!precisión!es,!a!día!de! hoy,!una!barrera!para!el!desarrollo!de!herramientas!de!simulación!(Langergraber,!2008)!y!por!lo! que!se!requieren!nuevas!técnicas!experimentales!(Knowless,!Nivala!y!García,!2011).! Previamente! a! la! experiencia! real! que! se! presenta! en! este! artículo,! fue! llevada! a! cabo! la! monitorización!en!laboratorio!de!un!reactor!piloto!similar,!de!1!m!de!longitud,!durante!18!meses! (EE!en!revisión).!Durante!este!periodo!la!circulación!del!agua!fue!plenamente!satisfactoria!incluso! ante!sobrecargas!hidráulicas!y!orgánicas.!! Los!incrementos!registrados!de!DO!registrados!fueron!insuficientes!para!elevar!el!potencial!redox!a! valores!representativos!de!sistemas!aerobios!aunque!si!evitaron!la!consolidación!de!los!procesos!de! estricta! anaerobiosis! que! provocan! la! generación! intensiva! de! PHB.! Este! hecho! demostró! ser! la! clave!para!la!prevención!de!colmatación!del!sistema.!! Para!su!desarrollo!se!lleva!a!cabo!una!experiencia!real!de!1!año!de!duración!(podriamos!decir!que! tuvimos!el!canal!trabajando!previamente!1!año!mas!y!tomando!datos!un!año,!o!al!reves!que!leugo! de! la! investigación! lo! estuvimos! siguiendo! otro! año! con! resultados! similares! y! desde! luego! sin! atascos?)!trabajando!con!un!canalWhumedal!formado!por!3!canales!de!10!m!de!longitud!conectados! en!serie!y!alimentados!con!agua!residual!urbana!en!los!que!se!trabaja!sin!plantas!para!evitar!su! influencia.!! Surge!además!una!aplicación!muy!interesante!en!este!diseño!innovador!que!es!su!uso!como!tubería! de!saneamiento!aprovechando!la!geometría!de!canal.!! ! 2.#MATERIALES#Y#MÉTODOS# ! 2.1#MATERIALES# ! CanalWhumedal!con!aireación!natural!forzada:! Se!ha!diseñado!y!construido!un!canalWhumedal!de!flujo!subsuperficial!horizontal!de!1!m!de!anchura! media,!0,60!m!de!profundidad!media!y!30!m!de!longitud!total,!con!sección!transversal!trapezoidal!y! constituido!por!tres!tramos!idénticos,!conectados!en!serie,!de!10!m!de!longitud!cada!uno!y!una! pendiente! total! del! 1,75! %.! La!relación! de! anchura:longitud! por! tramo! ya! es! suficiente! para! caracterizar!un!flujo!pistón.!El!sistema!se!ha!excavado!en!el!terreno!impermeabilizado!con!lámina! de!polietileno!de!alta!densidad!PEAD.!! ! La!longitud!total!de!canal!se!forma!en!base!a!la!suma!de!tramos!en!serie!de!10!metros,!cada!tramo! conecta!con!el!siguiente!mediante!un!vertedero!subsuperficial!que!garantiza!el!mantenimiento!de! un!cierto!nivel!de!lámina!de!agua!en!el!interior!del!canal!en!su!conjunto!y!por!tanto!tiempos!de! retención!suficientes!por!tramo.!! ! Cada!tramo!ha!sido!rellenado!con!piedra!granítica!procedente!de!voladura!machacada!en!cantera!a! granulometría! de! 200! mm! a! 50! mm.! La! piedra! ha! sido! escrupulosamente! colocada!en! orden! descendiente!de!tamaño!según!la!diagonal!longitudinal!de!cada!tramo.!Con!ello!se!pretende!evitar! pérdidas!de!conductividad!hidráulica!a!la!entrada!del!humedal!y!garantizar!aumento!gradual!de!la! velocidad!de!circulación!del!agua!en!su!interior.!! ! De! este! modo! una! sección! transversal! del! lecho! en! sus! primeros! metros! mostrará! un! relleno! completo!de!piedra!de!200!mm!que!se!enfrenta!a!la!circulación!de!agua!cargada!de!sólidos!y!que! inevitablemente!acumulará!en!su!base!el!mayor!porcentaje!del!total!de!fangos!retirados!al!agua.! ! La!sección!transversal!central!contiene!piedra!grande!en!la!zona!inferior!correspondiente!a!la!zona! de!acumulación!de!fangos,!piedra!mediana!en!la!zona!intermedia!principalmente!atravesada!por! agua!y!piedra!pequeña!en!los!puntos!próximos!a!la!superficie!zona!correspondiente!a!la!cámara!de! aire.!! ! La!sección!transversal!final!!en!la!que!se!recupera!la!perdida!conductividad!hidráulica!inicial!y!en!la! que!la!acumulación!de!fangos!en!la!base!es!mínima,!muestra!un!relleno!completo!de!piedra!pequeña! (50!mm)!atravesada!generalmente!por!agua!ya!desprovista!de!la!mayoría!de!sólidos.! RETOCAR!DIBUJO! ! ! Figura!2:!Distribución!lecho!de!piedra!en!canalWhumedal! ! ! El!canalWhumedal!presenta!un!aumento!de!la!sección!transversal!útil!de!entrada!del!flujo!de!agua! frente! a!las!secciones!tradicionales!de!los!SSHF!TW!conseguido!a! base!de!una!mayor!porosidad! inicial! del! lecho! y! una! posterior! disminución! gradual! de! la! misma! para! compensar! a! la! fuerte! pérdida!inicial!de!conductividad!hidráulica!y!garantizar!en!conjunto!suficiente!superficie!específica! para!el!desarrollo!de!biopelícula.!! El!objetivo!es!repartir!la!carga!de!entrada!en!tantos!canales!paralelos!como!sean!necesarios!sin! sobrepasar! el! límite! de! carga!admisible! por! metro!cuadrado! de! sección! transversal! de!paso,! así! como!tener!el!máximo!control!sobre!las!zonas!especialmente!problemáticas.! ! Dado!que!la!anchura!del!humedal!se!limita!a!1!m,!el!seguimiento!del!proceso!y!la!localización!de! posibles!atascos!en!el!mismo!se!limita!a!una!toma!de!muestras!y!medidas!en!longitud!y!altura.!Por! este!motivo,!se!han!dispuesto!tubos!de!toma!de!muestra!cada!tres!metros!de!longitud!con!suficiente! diámetro!para!la!introducción!de!sondas!de!medida!para!seguimiento!de!los!parámetros!de!calidad! y!trazado!del!perfil!de!fangos.!! !! La!cubierta!superior!se!ha!sellado!con!sucesivas!capas!de!grava,!gravilla!y!arenas!compactadas,!de! este!modo!se!evita!el!aporte!de!finos!inertes!por!escorrentía!superficial!y!con!ello!se!previenen! atascos! (García,! J;! 2004).! El! sellado! superficial! asegura! el! funcionamiento! del! circuito! de! aire! e! impide!la!penetración!de!aguas!pluviales!al!interior!del!canalWhumedal.!! ! ! Figura!!7.!Diseño!lecho!y!geometría!del!canalWhumedal! ! ! Para! facilitar! la! circulación! de! gases! en! el! interior! del! canalWhumedal! el! lecho! de! piedras! se! construye!con!un!circuito!de!aireación!natural!forzada!del!siguiente!modo:!Los!vertederos!finales! de!cada!tramo!proporcionan!una!lámina!de!agua!cuyo!volumen!en!ningún!caso!supera!el!60%!del! volumen!interno!disponible,!quedando!el!40%!restante!como!cámara!de!aireación!interna!sobre!la! lámina!de!agua.!La!circulación!interna!de!gases!en!el!circuito!de!aireación!y!su!intercambio!con!el! exterior! es! posible!gracias!a!la! combinación!de! un! pozo/aireador!que! se! sitúa! al!inicio!de! cada! tramo!de!canal!y!que!conecta!la!atmósfera!exterior!con!la!cámara!de!gases!interna!y!con!la!base!del! humedal! en! combinación! con! una! chimenea! en! el! punto! final! que! partiendo! desde! el! fondo! del! humedal!se!eleva!hasta!una!altura!de!1,5!m!sobre!el!terreno.!Los!citados!pozos/aireadores!facilitan! así!mismo!el!mantenimiento!del!canalWhumedal.! ! ! ! !!!!!!!!!!!!!! !!!! !!Figura!3.!Excavación!canalWhumedal!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Figura!4.!Vista!final!del!canalWhumedal! Con!espacio!previo!para!fosa!anaerobia!bw!!!!!!!! ! YO!PONDRIA!AQUÍ!UNA!FOTO!INTERMEDIA!DE!LA!LLENADA!DE!PIEDRAS…!QUE!SALGA!BIEN! VISTA!LA!DIAGONAL!DE!PIEDRAS,!POR!JEMPLO,!NO?!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! Agua!residual!urbana! El!núcleo!urbano!de!Carrión!de!los!Céspedes!(Sevilla)!carece!de!industrias!y!tiene!una!población!de! 2.300!habitantes,!sus!aguas!son!tratadas!en!una!planta!experimental!del!gobierno!andaluz,!PECC,! donde! se! ha! ubicado! el! canalWhumedal.! Por! tanto! aguas! residuales! de! naturaleza! típicamente! doméstica!son!conectadas!en!tiempo!real!al!canalWhumedal,!previo!tratamiento!primario!en!fosa! séptica.!El!punto!de!vertido!ha!sido!el!Arroyo!Alcarayón!(Río!Guadiamar,!Sevilla).! ! ! ! Planta!Experimental!de!Carrión!de!los!Céspedes.!PECC! La!PECC!está!situada!a!99!m!sobre!el!nivel!del!mar!en!las!coordenadas!37º!22’!N!6º!19’!O.!Fue! concebida! con! el! propósito! de! dotar! al! Plan! de! I+D! de! Tecnologías! No! Convencionales! de! Tratamiento!de!Aguas!de!la!Junta!de!Andalucía!(España)!de!una!herramienta!para!el!conocimiento! concreto!de!las!pautas!óptimas!de!diseño!y!explotación!de!los!sistemas!de!tratamiento!de!aguas!de! bajo! coste! de! explotación! y! mantenimiento.! Por! este! motivo! da! cabida,! para! su! evaluación,! a! tecnologías!innovadoras!o!diseños!naturales,!marco!donde!se!encaja!la!experiencia!que!se!presenta.!! ! 2.2#MÉTODOS# ! Régimen!de!alimentación! 1. Alimentación!a!caudal!medio!de!5,00!m3/d!durante!un!periodo!de!12!meses.! 2. Ensayos!de!situaciones!límite!de!comportamiento!en!situaciones!reales:! Sobrecarga!hidráulica:!Ensayos!de!aumento!de!caudal!hasta!un!total!de!16!m3/d!durante!una! semana!mes.! Ensayos!de!sobrecargas!orgánicas!puntuales.! Ensayos!de!paradas!prolongadas!(15!días)!y!nueva!puesta!en!marcha.! ! Determinaciones!Analíticas:! En!la!tabla!1!se!representa!la!periodicidad!de!la!toma!de!muestras!y!determinaciones!en!cada!punto! del!canalWhumedal.!! ! PUNTO#DE# TOMA# DENOMINACION# ANÁLISIS## FCO8QCO# ANÁLISIS# µBIOLÓGICO# MEDIDAS## IN#SITU# CANAL8HUMEDAL# 2.1.1.! 1er!Tramo.!Entrada.!!!!! 2!muestras/semana! ST,!DBO5,! DQO! Patógenos:! Ecoli,!CF! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.1.2.! 1er!Tramo.!!!!!!!!!!!!! Punto!medio.! WWWWWW! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.1.3.! 1er!Tramo.!Salida.!!!!!!!! 1!muestra/semana! ST,!DBO5,! DQO! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.2.1.! 2º!Tramo.!Entrada.!!!!! 1!muestra/semana! ST,!DBO5,! DQO! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.2.2.! 2º!Tramo.!Punto! medio.! WWWWWW! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.2.3.! 2º!Tramo.!Salida.!!!!!!!! 1!muestra/semana! ST,!DBO5,! DQO! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.3.1.! 3er!Tramo.!Entrada!!!!!! 1!muestra/semana!!!!!!!! ST,!DBO5,! DQO! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.3.2.! 3er!Tramo.!Punto! medio! WWWWWW! WWWWWW! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! 2.3.3.! 3er!Tramo.!Salida! 2!muestras/semana! ST,!DBO5,! DQO! Patógenos:! Ecoli,!CF! pH,!OD,!Tª,!Eredox,! Conductividad,!Altura!fangos! Tabla!1.!Determinaciones!analíticas,!puntos,!periodicidad! Para!identificar!los!puntos!de!toma!de!muestra!se!ha!utilizado!una!notación!numérica.!Al!actuar! este!canalWhumedal!como!tratamiento!secundario!se!define!cada!punto!de!toma!de!muestra!con!el! número!2!siendo!la!notación!2.1,!2.2.!y!2.3.!para!los!tramos!1,!2!y!3!del!canal!respectivamente.!Cada! uno!de!ellos!a!su!vez!se!acompaña!de!un!tercer!dígito!para!indicar!si!la!muestra!se!toma!al!principio! (1),!centro!(2)!o!final!(3)!de!cada!tramo.!! HACER!FIGURA! ! Figura!5.!Puntos!de!toma!de!muestra!y!medida!en!canalWhumedal!! Las! determinaciones! analíticas! recogidas! en! la! tabla! 1! se! han! realizado! según! los! siguientes! protocolos:!! ! Análisis!Físicos!y!Químicos! *! Total!Suspended!Solids!(TSS)!secados!a!103W5!°C!(APHA,!2540!D,!1992)!! *! Chemical!Oxygen!Demand!(COD)!(APHA,!5220!C,!1992)! *!!Biological!Oxygen!Demand!BOD!(APHA,!5210!D,!1992).!! !Medida!de!la!presión!en!la!fase!gas!con!sensor!electrónico.## ! Medidas!in#situ! *! pH:!.!Actividad!de!los!iones!H+!por!mediciones!potenciométricas!! *! Dissolved!Oxygen!(DO):!Sensor!electrónico!por!LOD.!! *! Temperatura:!Sensor!electrónico!,!equipos!de!pH!y!OD! *! Potencial!Redox!(Eredox):!Medida!con!sensor!electrónico.! *!!Conductividad!eléctrica:!Medida!con!sensor!electrónico.! ! Determinación!de!la!altura!del!lecho!de!fangos! *! Tubo!medidor!graduado!! ! Medida!en!continuo!del!caudal!afluente!! *! Caudalímetro!electromagnético!PROline!promag!50/53w! ! FALTA!SEÑALAR!EL!METODO!DE!MEDIDA!DE!PERDIDAS!DE!CARGA!QUE!HICIMOS!EN!EL!LABO! CON!LOS!NIÑOS,!NO?! ! 3.#RESULTADOS#Y#DISCUSIÓN# 1.W!Hidraúlica:! ! Desde!el!punto!de!vista!meramente!hidráulico!el!canalWhumedal!ha!transportado!1.807!m3!durante! un!año!de! funcionamiento!lo! que!representa! una!media!diaria!de! 5! m3/d.!! Se! han! evacuado! en! superficie! 15,4! m3!de!aguas! pluviales! de! acuerdo! a! los! datos! de! la! Agencia! Española! de! Meteorología,!sin!que!se!hayan!registrado!charcas!ni!filtraciones!hacia!el!interior.!! ! 2.W!Régimen!de!alimentación:! ! Durante!el!arranque!y!hasta!culminar!los!tres!primeros!meses!la!alimentación!ha!sido!a!un!caudal! comprendido! entre! 2! y! 3! m3/d.! Durante! los! tres! meses! siguientes! se! ha! aumentado! progresivamente! el! caudal! hasta! alcanzar! valores! de! 16! m3/d! con! el! fin! de! evaluar! las! cargas! hidráulicas!máximas!admisibles!en!el!proceso!total.!Así!mismo!se!han!ensayado!puntas!de!carga! 0! 2! 4! 6! 8! 10! 12! 14! 16! 18! W300! W250! W200! W150! W100! W50! 0! 0! 5! 10! 15! 20! 25! 30! Es!muy!importante!destacar!que!al!subir!la!cantidad!de!influente!y!por!tanto!la!cantidad!de!materia! organica!a!tratar,!se!demuestra!que!tambien!aumenta!drásticamente!el!oxigeno!disuelto!disponible! en!el!medio,!y!eso!es!debido!a!la!succion!de!aire!por!el!agua!que!entra!en!el!canal,!asi!el!sistema! tiene! una! gran! autorregulación! en! si! mismo! que! le! permite! ser! eficaz! en! un! rango! alto! de! variaciones!de!caudal.! # # Gráfico!5.!DO!afluente!vs!efluente.!2009# ! Potencial#REDOX# La! medida! del! potencial! redox! en! las! aguas! puede! considerarse! como! una! instantánea! de! la! situación!del!sistema!en!cada!momento!(Dusek!et!al.,!2008)!cuyos!valores!cuanto!más!negativos! sean! mayores! condiciones! anaeróbicas! indicarán! (Caselles! Osorio,! A.;! 2007)! o! del! grado! de! tratamiento!(Piriz,!A.J.;!2000).!! ! El!potencial!redox!medido!experimentó!un!aumento!considerable!a!lo!largo!del!canal.!Los!valores! medios!de!salida!registrados!fueron!de!W117!mV,!correspondiente!a!valores!en!los!que!las!bacterias! metanogénicas!siguen!activas,!se!constata!que!no!aparecio!exudación!de!PHB.! ! !Comparando!entradas!y!salidas,!se!observa!un!aumento!el!Eredox!del!medio!lo!que!supone!que!los! microorganismos!pasan!de!ser!anaerobios!estrictos!a!anaerobios!aerotolerantes,!poblaciones!que! resisten!la! presencia! de! oxígeno,! si! bien! crecen! mejor! en! su! ausencia,! en! definitiva! un! paso! progresivo!de!sistemas!típicamente!anaerobios!a!sistemas!donde!conviven!procesos!anaerobios!en! la!base!del!humedal!con!procesos!facultativos!y!aerobios!para!un!perfil!transversal!ascendente!en! un!mismo!punto!del!dren!de!piedras!y!para!un!avance!longitudinal.!(Gráfico!6!y!Tablas!1!y!2).! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 0! 2! 4! 6! 8! 10! 12! 14! 16! 18! W0,10! 0,00! 0,10! 0,20! 0,30! 0,40! 0,50! 0,60! 0,70! 0,80! Enero!!Febrer!!Marzo!!Abril!!Mayo!Junio!Julio!!Agosto!!Septiem!!Octubre!!Nov!!Diciembre!! Caudal!(m3/d)! DO!(mg/L)!in•l.! DO!(mg/L)!e•l.! Eredox!(mV)!!afl.! Eredox!(mV)!efl.! Caudal!(m3/d)! ! ! ! ! ! ! Gráfico!6.!Potencial!Redox!afluente!vs!efluente.!2009! ! Se!confirma!que!el!circuito!de!aireación!favorece!la!difusión!de!O2!a!través!del!lecho!de!piedras! habiendo!conseguido!un!suministro!suficiente!de!oxígeno!al!agua!circulante.!Un!efecto!secundario! del! aumento! en! la! concentración! de! oxígeno! en! agua! es! la!disminución! de! la! carga! orgánica! propiciada!por!el!rápido!metabolismo!de!los!microorganismos!aerobios.!! ! Muchos! estudios! indican! que! la! cantidad! de! oxígeno! aportada! por! transferencia! directa! es! más! necesaria!que!la!aportación!convectiva!realizada!por!las!plantas,!ya!que!éstas!usan!el!oxígeno!en!su! mayor! parte! para! consumo! propio! (Brix,! H.;! 1993),! no! obstante,! en! esta! investigación! se! ha! trabajado!sin!plantas!para!aislar!su!efecto.! ! Se! observa! como! el! sistema! tiene! una! inercia! muy! importante! en! su! comportamiento! frente! al! potencial!redox,!ya!que!aumentos!temporales!significativos!de!caudal,!no!afectan!significativamente! sus! valores.! Esto! es! una! potencialidad! del! sistema,! que! queda! protegido! ante! puntas! de! vertido! ocasionales,! normales! en! cualquier! sistema! de!tratamiento! de! aguas! residuales! urbanas.! Esto! podria!ir!a!conclusiones,!si!es!que!no!lo!has!puesto!y!lo!veo!mas!abajo…!esto!esta!superinteresante,! enhoraubenaaaa! ! Se!ha!efectuado!también!un!análisis!por!tramos!del!potencial!Redox!y!el!Oxígeno!Disuelto!en!agua! en!las!tres!secciones!de!los!tres!tramos!del!canal!habiéndose!obtenido!los!resultados!que!se!recogen! en!la!Tabla!1.!! ! ! 1er!Tramo! 2º!Tramo! 3er!Tramo! ! 2.1.1.! 2.1.2.! 2.1.3.! 2.2.1.! 2.2.2.! 2.2.3.! 2.3.1.! 2.3.2.! 2.3.3.! OD# (mg/l)# 0,16! 0,30! 0,35! 0,43! 0,41! 0,37! 0,44! 0,46! 0,55! ∆OD# (%)# ! 87,50! 16,97! 22,54! W4,65! W9,98! 17,86!! 6,61!! 17,58!! Redox# (mV)# W242! W182! W135! W116! W101! W110! W120! W119! W117! Tabla!1.!Valores!registrados!de!OD!y!Eredox!en!el!canalWhumedal! ! El!agua!entra!en!el!primer!tramo!del!canal!en!condiciones!anaerobias!con!una!muy!baja!tasa!de! oxígeno!disuelto!y!un!redox!que!indica!condiciones!claramente!reductoras.!El!OD!experimenta!una! mejoría!considerable!al!final!del!primer!tramo,!la!más!significativa!del!canal!multiplicándose!por!3! su! contenido! en! el!efluente! con! respecto! a! la! entrada.! Puede! observarse! un! paralelismo! con! el! potencial!redox!medido!cuyos!valores!confirman!la!tendencia!del!canal!a!evolucionar!a!condiciones! aerobias!que!no!llegan!a!consolidarse.!El!aumento!de!OD!en!agua!registrado!no!es!suficiente!para! elevar!el!potencial!redox!a!valores!representativos!de!sistemas!aerobios!pero!si!permite!evitar!la! entrada!del!sistema!en!altos!niveles!de!anaerobiosis.!! ! En! los! humedales! horizontales! poco! profundos! la! principal! vía! de! degradación! de! la! materia! orgánica! es! la! desnitrificación! seguida! de! la! sulfatorreducción! (Aguirre,! P.,! 2004)! obteniéndose! sistemáticamente!obtienen!efluentes!de!mejor!calidad!que!los!profundos.!Éstos!últimos!trabajan!a! potenciales!redox!inferiores!a!W300!mV!y!predomina!mayoritariamente!la!sulfatorreducción.!Aún! así,!los!atascos!son!constantes!en!ambos!(Salas,!J.J.;!Pidre,!J.R.;!2007)!debido!principalmente!a!que!la! aireación!del!sistema!es!nula,!pues!!los!circuitos!de!aire!son!abiertos,!sin!entradas!ni!salidas!ni!o! circulación!de!aire!(Pozo,!L.;!Lebrato,!J.;!2009).!! ! En!cuanto!al!gradiente!vertical!de!Potencial!Redox!y!DO,!se!han!medido!ambos!parámetros!en!la! superficie,!TAE,!y!el!fondo!del!dren,!DAE,!en!los!puntos!inicial!y!final!por!tramo!(Tabla!2).!! ! Enero!Febrer!!Marzo!!Abril!!Mayo!!Junio!!!Julio!!Agosto!!Sept!!Oct!!Nov!!Diciembre! 0,00! 0,10! 0,20! 0,30! 0,40! 0,50! 0,60! W400! W300! W200! W100! 0! Eredox!Tubería!equivalente! Eredox!DAE! OD!Tubería!equivalente! OD!DAE! ! 1er#Tramo# 2º#Tramo# 3er#Tramo# ! 2.1.1.# 2.1.3.# 2.2.1.# 2.2.3.# 2.3.1.# 2.3.3.# Redox# (mV)#agua# W242! W135! W116! W110! W120! W117! Redox# (mV)#lecho# fangos# ! W326! W324! W316! W350! W161! OD#(mg/l)# agua# 0,16! 0,35! 0,43! 0,37! 0,44! 0,55! OD#(mg/l)# lecho#de# fangos## 0,10! 0,12! 0,10! 0,12! 0,10! 0,09! ! Tabla!2.!Gradiente!vertical!redox! Se!confirman! condiciones! de! anaerobiosis! invariables! en! la! base! del! canal! frente! a! progresivos! aumentos!de!OD!en!la!masa!de!agua!circulante!apreciándose!por!tanto!claramente!la!diferenciación! entre!los!dos!sistemas,!DAE!y!TAE.!! ! Los!valores!obtenidos!en!este!trabajo,!sitúan!experimentalmente!el!Eredox!de!W350!mV!como!el! menor!valor!de!operación!obtenido!en!las!peroes!condiciones!de!proceso!en!el!que!no!se!registran! colmataciones!por!exhudacion!de!PHB,!y!en!base!a!esta!evidencia,!marcamos!este!valor!como!el! nivel! de! seguridad!para! evitar! el! ! riesgo! real! de! colmatación! del! sistema.! En! puntos! donde! desciende! algo! mas! el! valor! de! Eredox! se! empiezan! a! detectar! flóculos! amyores! de! bacterias! y! aparecen!evidencias!de!polimeros!exhudados!en!exceso.! ! La!evolución!de!ambos!parámetros!en!el!agua!y!en!el!lecho!de!fangos!se!representa!en!el!Gráfico!9! con!el!eje!de!ordenadas!principal!mostrando!el!potencial!redox!y!el!secundario!el!OD.! ! ! ! ## # ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Gráfico!9.!Valores!de!Eredox!en!agua!y!lecho!de!fangos! ! Si!se!observa!el!comportamiento!del!oxígeno!disuelto!en!comparación!con!la!mejora!de!la!calidad! del!agua! en!cuanto!a! disminución!de! la!DBO5!se! comprueba! que! conforme! aumenta! el! OD,! ésta! disminuye!lo!cual!es!indicativo!de!la!existencia!de!procesos!aerobios!de!degradación!de!la!materia! orgánica.! # 2.1.3.! 2.1.1.! 2.2.1.! 2.2.3.! 2.3.1.! 2.3.3.! ! Gráfico!10.!Evolución!de!la!BOD!con!respecto!al!oxígeno!disuelto! ! NO! ME! ENTERO! BIEN! DE! ESTA! GRAFICA,! NO! SE! SI! LE! FALTAN! las! variables! en! las! abcisas! y! ordenadas!o!que!estoy!torpe,!o!las!dos!cosas…! Al!vista!de!los!datos!representamos,!se!concluye!la!necesidad!de!valores!de!al!menos!0,45!mg/l!de! OD! para! esperar! degradación! aerobia! ya! que! a! partir! de! estas! cifras! incrementos! de! OD! proporcionan!directamente!disminución!de!DBO5! ! No! es! posible! determinar! con! exactitud! qué! cantidad! de! materia! orgánica! eliminada! se! debe! a! procesos!biológicos!aerobios!y!cuánta!a!procesos!anaerobios!pero!sí!ha!sido!posible!constatar!un! aumento!neto!del!DO!en!el!efluente!con!respecto!al!afluente,!su!cuantificación!promedio!nos!indica! se!produce!un!aumento!neto!de!oxígeno!en!agua!de!0,085!g/m2!día.! ! En!cuanto!a!la!relación!entre!el!DO!y!la!temperatura!se!han!estudiado!los!valores!obtenidos!en!tres! intervalos!de!temperatura!del!agua:!! ! De! 7°C! a! 9°C!en! el! que! los! valores! de! OD! en! el! efluente! han! llegado! a! alcanzar! los! 0,8! mg/l.! (concentración!de!saturación!en!equilibrio!del!oxígeno!!T!<9°C!=!11,6!mg!O2/l).!De!9°C!a!15°C!!en!el! que!se! han! registrado!valores! medios!de! 0,64! mg/l!de! OD.! !De!15°C!a! 21°C!donde! la! media!de! valores!en!el!efluente!desciende!a!0,25!mg/l!de!OD.! ! Para!temperaturas!medias!del!agua!<!9°C!la!concentración!de!saturación!en!equilibrio!del!oxígeno! es!igual!a!11,6!mg!O2/l!mientras!que!en!zonas!cálidas!para!temperaturas!medias!del!agua!mayores!o! iguales!a!18°C!es!9,6!mg!O2/l.!no!se!ha!obtenido!una!correlación!aceptable!enfrentando!los!datos!de! oxígeno!disuelto!en!el!efluente!con!progresivos!aumentos!de!caudal!en!el!intervalo!comprendido! entre!2!y!9!m3/d.!Podemos!decir!que!el!efecto!de!la!temperatura!sobre!el!oxígeno!disuelto!es!mayor! que! el! efecto! producido! por! incremento! de! caudal! circulante! dentro! de! los! límites! de! la! experimentación.!! ! ! ! ! ! ! Discusión!general!de!procesos!comparados!en!el!canal!y!los!humedales!tradicionales.!! ! Esto!estaba!en!el!final!de!conclusiones,!y!creo!que!podemos!traerlo!a!discusión!general…! ! Los!diseños!de!HSSF!TW!varian!de!unos!lugares!a!otros,!en!UK!se!trabaja!con!elevadas!relaciones!de! carga!hidráulica!y!de!sólidos!(HLR!media!=!0,12!m!/!d!y!TSS!mediana!=!7!g/m2!d)!en!comparación! con!otros!conjuntos!de!datos,!donde!uno!o!ambos!parámetros!es!relativamente!menor.!En!Estados! Unidos! HLR! media! =! 0,02! m/d! y! TSS! medio! =! 2! g/m2!d).! En! alemania! se! emplean! altos! HLR! (mediana!=!0,3!m!/!d),!pero!relativamente!bajas!cargas!de!sólidos!(mediana!=!3!g/m2d).!! La!combinación!de!sobrecarga!hidráulica!y!de!sólidos!disminuyen!la!longevidad!de! 0,00! 0,10! 0,20! 0,30! 0,40! 0,50! 0,60! 0! 50! 100! 150! 200! 250! OD!Tubería!equivalente! DO!(mg/L)!Azul! Eredox!(mV)!Rojo! 2.1.1.!!!!!!!!2.1.3.!!!!!!!!2.2.1.!!!!!!!!2.2.3.!!!!!!!!2.3.1.!!!!!!!!2.3.3.! ! estos!sistemas.! ! Comparando!los!parámetros!de!diseño!usuales!en!UK,!Alemania!y!USA!con!el!presente!trabajo!en!la! siguiente!tabla!se!pueden!observar!las!mejoras!de!proceso!que!se!consiguen!con!la!configuración!en! canal!sobre!los!humedales!tradicionales.! ! Hay!que!resaltar!aquí!las!recomendaciones!de!diseño!de!los!HSSF!TW!en!Europa!son!de!utilización! de! grava! de! 3W16! mm! mientras! que! las! de! los! EE.UU.! han! sugerido! la! inclusión! de! los! lechos! mayores!!30!mm.!! ! ! Tabla.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Canal!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!UK,!Alemania!y!USA! ! Carga!superficial!hidraulica!horizontal! Cargas!transversales! Tamaño!de!lechos! Parámetros!de!funcionamiento! Como!tuberia:! ! Puedes!tomar!todos!estos!datos!juntos!en!la!tabla!y!asi!se!visualizan!de!un!vistazo…!no?! ! las!cargas!superficiales!(horizotales)!hidráulica,!de!materia!orgánica!y!de!sólidos!usadas!en!UK,! Alemania!y!USA,!son!del!orden!de!0,02!m3/m2!y!dia!–!0,3!m3/m2!y!dia,!frente!a!0,07!–!0,53!nuestro.! En!cuanto!a!SST!son!de!3!–!7!g!SST/m2!frente!a!los!6,4!–!51.2!medidos!en!el!presente!trabajo.! ! Por!otro!lado!tenemos!las!cargas!transversales!de!250!g/m2!dia!de!DBO!usuales!frente!a!1.129!–! 3411!g/m2/d!encontrados!en!el!presente!trabajo,!es!decir!de!4!a!13!veces!más,!la!situación!más! estudiada!es!la!de!6!veces!más.!! Todo!ello!para!lechos!de!ellos!3!a!30!mm!nosotros!de!50!a!200!mm.!O!sea!aumentos!de!16!veces!el! diametro!más!pequeño!y!6!veces!el!más!grande!aunque!con!organizaciones!de!lecho!con!gradiente! mientras!que!ellos!es!constante.! ! ! Parámetros!de!funcionamiento!como!tubería!(V,!CH)!vs!reactor!Corgánica!y!de!sólidos!.!Ver!gráfica! carga!volumétrica!master!y!managua!3! En!los!estudios!previos!de!atasco!de!humedales!se!constata!que!elevadas!cargas!organicas,!HLR! altas,! aumentan! la! probabilidad! de! que! la! acumulación! de! materia! obstruida! cause! problemas! hidráulicos,! mientras! que! a! bajos! HLR! los! sólidos! orgánicos! son! capaces! de! mineralizarse! suficientemente!bien!como!para!impedir!la!obstrucción!en!la!mayoría!de!los!casos.!! ! La!mayoría!de!los!autores!reportan!una!correlación!positiva!entre!sistema!de!atascos!y!las!tasas!de! carga!de!TSS!y!COD!(Tanner!y!Sukias,!1995),!correlacionando!positivamente!tasas!de!carga!de!TSS!y! COD!con!la!severidad!de!la!obstrucción!Winter!y!Goetz!(2003).!Para!valores!de!COD!inferiores!a!20! g/m2d!y!de!5!g/m2d!de!TSS!no!se!han!detectado!problemas!de!obstrucción.!Tasas!de!carga!de!COD! de!12!g/m2!d!producen!una!tasa!de!acumulación!de!sólidos!promedio!de!11!kg/m2!año.!Tasas!de! COD!mayores!(67!g/m2!d)!corresponden!a!tasas!proporcionalmente!mayores!de!acumulación!de! sólidos!(51!kg/m2!año).!! ! ! La!sobrecarga!hidráulica!da!generalmente!lugar!a!flujos!superficiales,!las!tasas!de!de!acumulación! pueden! fácilmente! superar! a! las! tasas! de! mineralización! produciéndose! un! fallo! hidráulico! completo!(Platzer!y!Mauch,!1997;!Langergraber!et!al,!2003;.!Zhao!et!al,!2004).!! ! ! Como!parámetros!de!trabajo!hay!autores!que!utilizan!carga!de!sólidos!totales,!y!cargas!de!BOD!y! COD,!sin!embargo!hay!otros!que!utilizan!el!área!de!la!sección!transversal!en!la!dirección!del!flujo! recomendándose!un!máximo!de!carga!de!DBO!de!250!g/m2!d!para!HSSF!TWS!en!lechos!de!3!a!16! mm,!habiéndose!llegado!incluso!a!30!mm.!! ! The! sedimentation! of! large! particle! size! is! the! principal! mechanism! of! solids! removal! which! typically!takes!place!in!the!first!few!meters!of!the!wetland.!Several!studies!conclude!that!greater! biofilm!development!occurs!at!the!inlet!region!where!the!concentration!of!the!organic!matter!in!the! wastewater!is!greatest!(García!et!al.,!2003;!García!et!al.,!2007;!Tietz!et!al.,!2007)!therefore!the!inlet! hydraulic!conductivity!is!reduced.!A!positive!correlation!between!system!clogging!and!TSS!and!COD! loading!rates!has!been!described!(Winter!and!Goetz,!2003).!Cloggin!problems!decreased!in!systems! that!receives!less!than!20!g/m2d!COD!and!5!g/m2d!TSS.! ! Aquí!pones!unos!datos!de!lso!humedales!verticales!Cooper,!P.!2004.!The!performance!of!vertical! flow!constructed!wetland!systems!with!special!reference!to!the!significance!of!oxigen!transfer!and! hydraulic!loading!rate.!Proocedings!of!the!9th!International!Conference!on!Wetland!Systems!for! ! Y!resaltas!que!con!nuestro!canal!tenemos!mayores!capacidades!de!tratamiento!y!rendimientos!que! en! los! garciahumedales! y! menor! complejidad! de! construccion! y! funcionamiento! que! en! los! verticales! ! ! ! ! ! # CONCLUSIONES# La!“revolucionaria”!organización!de!las!piedras!en!una!configuración!en!canal!longitudinal!con!una! diagonal!de!piedras!grandes!y!por!encima!piedras!medianas!y!pequeñas,!sumado!al!sistema!de! aireación!forzada!sin!coste!energetico!con!los!pozos!y!chimeneas!construidos,!dan!lugar!a!unos! rendimientos!excelentes!sin!que!no!hayan!registrado!problemas!de!atasco!en!los!(dos!)años!de! ensayo!(y!mantenimiento)!que!se!han!estudiado,!como!ocurre!usualmente!en!los!humedales! subsuperficiales!horizontales!desarrollados!hasta!el!momento.! ! La!configuración!en!canal!longitudinal!disminuye!drásticamente!la!posiblidad!de!cortocrcuitos! hidraulicos,!que!tantos!problemas!causa!en!lso!humedales!tradicionales,!y!aumenta! considerablemnte!los!rendimientos!del!sistema!al!aprovechar!todo!el!volumen!util!del!sistema!al! evitar!espacios!muertos.! ! El!circuito!de!aireación!diseñado!y!construido!ha!hecho!que!el!canal!haya!!funcionado!en!un!estricto! flujo! pistón,!ya! que!su! funcionamiento! se! basa!en! la!trayectoria!del! agua!y! el!efecto! succión! de! oxigeno!a!lo!largo!del!mismo,!mientras!decae!la!materia!organica!en!el!proceso!de!depuración.! ! La!diagonal!de!piedras!ha!hecho!que!el!canal!se!haya!desdoblado!en!dos!zonas!d!ecomportamiento! muy!diferente,!la!de!fondo!que!se!comporta!como!un!digestor!anaerobio!equivalente!(DAE)!y!la!mas! superficial,!que!se!configura!como!un!tuberia!aerobia!equivalente(TAE).!! ! El!valor!de!la!carga!de!materia!orgánica!medida!en!BOD!referido!a!la!sección!transversal!inicial!del! canal!ha!sido!cuatro!veces!superiores!a!los!recomendados!para!diseños!tradicionales,!habiéndose! trabajado!a!1.129!g!BOD/m2d!frente!a!los!los!250!g!BOD/m2d!normalmente!recomendados.!Esto! permite!tratar!volumens!de!agua! mayores!y/o!mas!cargadas!en! espacios!mucho!menores!y!por! tanto!realizar!una!modificación!en!el!diseño!tradicional!de!humedales!en!el!que!la!anchura!total!del! sistema!venga!determinada!por!máximos!de!carga!!o!caudal!que!es!capaz!de!admitir!cada!canal!en! su!entrada!y!la!longitud!por!el!rendimiento!deseado.!! ! No!me!eches!mucha!cuenta,!pero!creo!que!esta!es!ya!la!mejor!conclusion!de!tu!trabajo…!y!asi!debes! ponerla…! ! La! configuración! en! canal! longitudinal! permite! una! construccion! menos! complicada! que! la! de! humedales!verticales,!todo!ello!con!parámetros!de!rendimiento!en!depuración!similares!o!mejores.! Esta! facilidad! de! construccion! permite! su! aplicación! en! muchos! entornos! donde! un! humedal! vertical!no!es!viable!técnica!o!espacialmente.!! ! Los!datos!experimentales!de!aumento!de!oxigeno!disuelto!conforme!aumenta!el!caudal!de!aguas!de! entrada,! hasta! un! limite! amximo,! permite! usar! el! canal! como! una! muy! buena! herramienta! de! depuración.!la!respuesta!a!estos!aumentos!de!caudal!del!potencial!redox,!que!permanece!estable! para!vertidos!puntuales!y!de!corta!duracion,!hasta!una!semana,!le!da!una!inercia!al!canal!que!facilita! las!rutinas!de!mantenimiento!en!situaciones!reales!de!servicio!a!poblaciones.! ! Surge!además!una!aplicación!muy!interesante!en!este!diseño!innovador,!que!es!la!posibilidad!de! uso!del!canal!como!tubería!de!saneamiento!aprovechando!la!geometría!de!canal,!pues!a!grandes! caudales! y! con! suficiente! pretratamiento,! equivalente! a! un! eficaz! tratamiento! primario,! se! comprueba!que!trabaja!muy!bien!transportando!agua,!se!registran!entradas!de!aire!mayores!que!a! bajas!cargas!hidráulicas!aunque!al!trabajar!a!bajos!HRT!no!se!alcanzan!los!grados!de!depuración! exigidos!por!normativa.! ! ! ! Recomendaciones!tecnicas!para!la!construccion!de!canales!longitudinales!de!piedras! ! A!la!vista!de!los!resultados!obtenidos!se!recomienda!el!diseño!!de!sistemas!d!e!depuración!con!una! distribución!del!flujo!de!agua!en!canales!de!sección!trapezoidal!de!10!m!de!longitud!por!1!m!de! anchura!y!0,80!m!de!altura!manteniendo!una!lámina!de!agua!de!0,45W0,50!m!para!el!mantenimiento! de!una!cámara!de!aire!en!su!interior.!! ! Se! instalarán! en! serie! tantos! canales! como! sea! necesario! para! alcanzar! los! rendimientos! en! depuración!requeridos!teniendo!en!cuenta!el!rendimiento!que!aporta!cada!tramo!unitario!de!canal.! Por!tanto!será!este!criterio!el!que!definirá!la!longitud!del!humedal.! ! Cada!canal!soportará!una!carga!máxima!de!materia!orgánica!y!sólidos!en!su!sección!transversal,!por! tanto!la!carga!total!influente!se!repartirá!en!tantos!canales!como!sea!necesario!cuya!longitud!se! prolongará!después!en!función!de!lo!indicado!en!el!párrafo!anterior.! ! La!granulometría!de!lecho!debe!oscilar!entre!los!200!mm!y!los!50!mm!de!piedra!angulosa!siendo! ésta!más!recomendable!que!los!cantos!rodados!para!evitar!acoplamientos.!! ! La!organización!de!la!piedra!según!una!diagonal!longitudinal!de!porosidad!decreciente!junto!con!el! sellado!en!superficie!de!cada!canal!y!la!instalación!de!un!pozoWaireador!inicial!en!combinación!con! una!chimenea!respirador!en!su!tramo!final!conformarán!el!circuito!de!aireación.!La!cámara!de!aire! representará!en!cualquier!caso!un!40%!al!menos!del!volumen!total!del!lecho.! ! De!este!modo!la!anchura!total!de!humedal!será!la!resultante!de!la!suma!del!número!de!canales! paralelos!como!sea!necesario!para!que!ninguno!de!ellos!soporte!un!aporte!en!cabecera!superior!a! 64!g/m2!de!DCO!y!10!g/m2!de!SST!medidos!en!carga!horizontal!de!aporte!habiéndose!aplicado!en! esta!recomendación!los!valores!obtenidos!en!el!segundo!tramo!de!canal!como!medida!de!seguridad.! La!carga!hidráulica!de!trabajo!se!sitúa!en!0,5!m3/m2d.!La!carga!máxima!en!sección!transversal!será! de!1.000!g/m2d!habiéndose!aplicado!un!coeficiente!de!seguridad!del!10!%.!! ! ! PARA!CONCLUSIONES! Water!Pollution!Control,!Avignon!(France),!September!2004!153W160.!(TOMADO!DEL!SMAWATT07)! ! Agradecimientos:!MMAmb.,!Jta,!Alumnos!Gtar,!pecc!(sin!centa)! ! ! ! ! ! ! ! ! !