Modelación matemática de procesos de adsorción de fósforo en humedales artificiales de flujo subsuperficial.

Abstract

[ES] En este Trabajo Fin de Máster se pretende llevar a cabo el modelado matemático de un humedal artificial para estudiar los procesos de adsorción que afectan al fósforo. En los modelos matemáticos de humedales desarrollados hasta ahora, los procesos de adsorción han sido estudiados de forma superflua, considerándolos como un término fuente-sumidero o incluso sin llegar a tenerlos en cuenta. Siendo el fósforo uno de los principales nutrientes causantes de la eutrofización en ecosistemas acuáticos parece contraproducente que la bibliografía existente sobre eliminación de los mismos en humedales sea tan limitada, esto se debe a que su eliminación en este tipo de sistemas es debida a la adsorción (Richardson, 1985), que como ya se ha comentado, ha sido un fenómeno poco considerado y estudiado en modelación de humedales. La limitada capacidad de adsorción de los sustratos empleados tradicionalmente en humedales, junto a su falta de disponibilidad a un precio razonable, ha llevado a algunos autores a estudiar la efectividad de nuevos sustratos basados en el aprovechamiento de residuos. El aprovechamiento de fangos de potabilizadora deshidratados como sustrato de humedales ha generado especial interés entre la comunidad científica y el sector industrial en los últimos años. Los valores de capacidad de retención de fósforo en fangos deshidratados han sido determinados experimentalmente: 12 g de P/kg de fango deshidratado (Park & Polprasert, 2008), 31.9 g de P/kg de fango deshidratado (Babatunde et al., 2009), 35.8 g de PO4 3- /kg de fango deshidratado (Zhao et al., 2009), 9.3-19.2 g de PO4 3- /kg de fango deshidratado (Hernández Crespo et al., 2022). Estos valores ponen de manifiesto que los fangos deshidratados, además de contribuir a una economía circular, poseen una capacidad de retención de fósforo equiparable a la de otros sustratos empleados tradicionalmente (0.31-44 g de P/ kg (Westholm, 2006)). Este proyecto pretende aportar información de carácter científico sobre los procesos de adsorción que afectan a los fosfatos mediante el modelado matemático de un humedal de flujo subsuperficial vertical a escala real (60 m2) ubicado en Puzol (Valencia), del cual se han tomado datos durante 1 año y en el que se ha empleado fango deshidratado de potabilizadora como sustrato. Para realizar el modelado matemático y poder estudiar los procesos de adsorción, hay que resolver previamente el modelo de flujo. Para ello es necesario modelar las leyes de la física que rigen el flujo subsuperficial en zona saturada y no saturada, las ecuaciones existentes y los parámetros que las componen.

[EN] The aim of this Master's Thesis is to carry out the mathematical modelling of an artificial wetland to study the adsorption processes that affect phosphorus. In the mathematical models of wetlands developed so far, adsorption processes have been studied in a superfluous way, considering them as a source-sink term or even without taking them into account. Since phosphorus is one of the main nutrients causing eutrophication in aquatic ecosystems, it seems counterproductive that the existing literature on phosphorus removal in wetlands is so limited, because its removal in this type of system is due to adsorption (Richardson, 1985), which, as has already been mentioned, has been a phenomenon that has been little considered and studied in wetland modelling. The limited adsorption capacity of the substrates traditionally used in wetlands, together with their lack of availability at a reasonable price, has led some authors to study the effectiveness of new substrates based on the use of waste. The use of dehydrated water treatment plant sludge as a wetland substrate has generated special interest among the scientific community and the industrial sector in recent years. The values of phosphorus retention capacity in dewatered sludge have been experimentally determined: 12 g P/kg dehydrated sludge (Park & Polpraset, 2008), 31.9 g P/kg dehydrated sludge (Babatunde et al., 2009), 35.8 g PO4 3- /kg dehydrated sludge (Zhao et al., 2009), 9.3-19.2 g PO4 3- /kg dehydrated sludge (Hernández Crespo et al., 2022). These values show that dewatered sludge, in addition to contributing to a circular economy, has a phosphorus retention capacity comparable to that of other traditionally used substrates (0.31-44 g P/ kg (Westholm, 2006)). This project aims to provide scientific information on the adsorption processes that affect phosphates through the mathematical modelling of a full-scale vertical subsurface flow wetland (60 m2) located in Puzol (Valencia), for which data has been taken for 1 year and in which dehydrated sludge from a water treatment plant has been used as a substrate. In order to carry out the mathematical modelling and study the adsorption processes, the flow model must first be solved. To do this, it is necessary to know the laws of physics that govern subsurface flow in saturated and unsaturated zones, the existing equations and the parameters that compose them.