Estudio de la influencia de diferentes opciones de diseño sobre el funcionamiento de humedales artificiales de flujo vertical mediante simulación numérica en HYDRUS Wetland Module

Abstract

[ES] Los humedales artificiales (HHAA) son sistemas de tratamiento de aguas residuales extensivos, creados a partir de la observación de los procesos físicos y biogeoquímicos de los humedales naturales para tratar aguas contaminadas (Fonder & Headley, 2013). Las aplicaciones de los HHAA son muy amplias, abarcando desde el tratamiento secundario y/o terciario de aguas residuales urbanas hasta tratamientos específicos, como son el tratamiento de efluentes industriales y la deshidratación de fangos. En Austria, los humedales artificiales de flujo vertical son una de las tecnologías utilizadas para el tratamiento de aguas residuales domésticas y su diseño está estandarizado de acuerdo con la norma nacional ÖNORM B 2505 (2009). Debido a la elevada superficie necesaria, su utilización se restringe a pequeñas poblaciones (<500 h.e.) y su robustez permite que sea una tecnología muy adecuada para áreas rurales. En la actualidad existen alrededor de 5500 humedales artificiales de flujo vertical en todo el país y aproximadamente el 98% de ellos son de pequeño tamaño (< 200 m2), tratando aguas residuales de grupos de menos de 50 personas (Langergraber & Weissenbacher, 2017). Para disminuir la superficie específica necesaria, se ha propuesto un diseño modificado que también sea capaz de cumplir con los requisitos austriacos para el efluente y mantenga su robustez, especialmente durante los meses de invierno, que corresponden a las condiciones más extremas a las que se somete el sistema de tratamiento. Las principales diferencias del diseño modificado son la superficie específica (de 4 a 2.5 m²/h.e.), la carga específica (3.75 to 2.5 L/m2 h), la periodicidad de las descargas de agua residual que recibe el humedal artificial (4 a 8 descargas diarias), y el sistema de distribución. Por otro lado, la simulación numérica ha demostrado ser una herramienta con mucho potencial para conocer con mayor detalle los procesos que ocurren en los humedales artificiales. Su versatilidad hace que pueda ser utilizada de forma sencilla para el diseño de nuevos humedales artificiales y/o para mejorar la eficiencia de los existentes (Langergraber, 2017; Samsó et al., 2014). Para este estudio se utiliza el módulo Wetland Module (Langergraber & Šim¿nek, 2012), incorporado al software HYDRUS, el cual resuelve numéricamente la ecuación de Richards para simular medios porosos parcialmente saturados, y utiliza la ecuación de convección-dispersión para simular el calor y el transporte de solutos. Wetland Module tiene incorporado el modelo biocinético CW2D (Constructed Wetland 2-Dimensional), basado en los modelos ASMs de fangos activados (Henze et al., 2000), el cual incluye los procesos aerobios y anóxicos para simular los procesos de transformación y degradación de compuestos (materia orgánica, nitrógeno y fósforo). Los resultados de la simulación muestran la eficiencia del tratamiento para ambos diseños, comparando las concentraciones de los efluentes de los humedales y sus respuestas ante un episodio de 48 horas de sobrecarga (150% carga nominal), para comprobar su resiliencia ante posibles episodios de aumento de caudal.

[EN] Treatment wetlands (TWs) are extensive wastewater treatment plants, created on the basis of physical and biogeochemical processes of natural wetland ecosystems to treat polluted waters (Fonder & Headley, 2013). The applications of TWs are very broad, ranging from secondary and/or tertiary treatment of urban wastewater to specific treatments, such as industrial effluents treatment and sludge dewatering. In Austria, vertical flow treatment wetlands (VF TWs) are a state-of-art technology used for the treatment of domestic wastewater. Single stage vertical flow (VF) wetlands with intermitent loading are designed according to the Austrian design standard ÖNORM B 2505 (2009). Due to the large area required, its use is restricted to small populations (<500 PE) and its robustness is a suitable technology for rural areas which have dispersed population and high availability of land. In fact, there are currently about 5,500 vertical flow treatment wetlands in Austria and about 98 per cent of them are small (< 200 m2), treating wastewater from groups of less than 50 people (Langergraber & Weissenbacher, 2017). To reduce the specific area needed, a modified design has been proposed for VF wetlands in Austria. This new design aims to be able to meet the Austrian requirements for effluent, especially during winter months, which correspond to the most extreme conditions to which the treatment system is subjected. The main differences of the modified design are specific surface area (4 to 2.5 m²/PE), specific load (3.75 to 2.5 L/m2 h), the number of loadings (4 to 8 times per day), and the distribution system. Numerical simulation has proven to be a tool with great potential to dig up the processes that occur in artificial wetlands. Their versatility makes them easy to use for the design of new artificial wetlands and/or for improving the efficiency of the existing ones (Langergraber, 2017; Samsó et al., 2014). The Wetland Module of HYDRUS program is used for this study. HYDRUS can be used to simulate partially saturated porous medium such as TW since it numerically solves the Richards Equation for water flow and uses the convection-dispersion equation to simulate heat and solutes transport. Wetland Module has incorporated the biokinetic model CW2D (Constructed Wetland 2-Dimensional) based on the ASM models of activated sludge (Henze et al., 2000), which includes aerobic and anoxic processes to simulate the transformation and degradation processes of compounds (organic matter, nitrogen and phosphorus). The simulation results show the treatment efficiency for both designs, comparing the concentrations of wetland effluents and their responses to a 48-hour overload episode (150% nominal load), to test their resilience to possible episodes of increased flow.