Desarrollo de un modelo matemático para el diseño y la gestión de humedales artificiales subsuperficiales. Aplicación al humedal artificial subsuperficial de flujo horizontal de Carrícola (Valencia)

Abstract

[EN] In the last two decades, the utilization of constructed wetlands like wastewater treatment systems in small Spanish populations, with less than 2,000 inhabitants as population equivalent (PE), has spread considerably. This is due to the satisfactory technical, social and environmental results obtained. A lot of experience has been acquired for the construction of these systems, but it is necessary to delve into the modelling of these treatment elements in order to be able to design and manage them as efficiently as possible. The aim of the present work is the development of a mathematical tool for the modelling of constructed wetlands of subsurface flow, taking as example for its definition and calibration the empirical information of the constructed wetland of horizontal subsurface flow of the urban Wastewater Treatment Plant (WTP) of Carrícola (Valencia). Firstly, an inventory of the different models, which are used for the simulation of this kind of systems, has been carried out. The most used are the Constructed Wetland 2D (CW2D) and Constructed Wetland Model number 1 (CWM1), both based on the mechanist model Activated Sludge Model (ASM) for the simulation of activated sludge in classic purification. The model, which is developed in this work, is based on the CWM1 and it used matrix notation of Petersen (1965) for the definition of the kinetic reactive submodel of the physical, chemical and biological processes. Later, the mathematical model has been defined using the free software AQUASIM, concretely the biofilm compartment just defined in the program. This compartment consists in two elements: the biofilm and the bulk volume. On the one hand, the microorganisms, which degrades the different pollutants, and the inert organic matter and the not organic suspended solids, that clogged the subsurface flow wetlands, formed the biofilm. On the other hand, the bulk volume is the free water, totally mixed, which circulates across the wetland. The variables included in the model are organic matter, ammonium, nitrates, phosphates, not volatile suspended solids and heterotrophic, nitrifying, fermenting and methanogenic bacteria. Once the model was calibrated, four simulations have been carried out (piston flow reactor operation, population increase, system clogging and potential evapotranspiration incorporation) to extend the actual knowledge of the constructed wetland of horizontal subsurface flow of Carrícola. The implemented model allows us to know the concentrations at the exit of the system, the biofilm thickness and its composition and the clogging degree. Thus, this model is a useful tool to extend the knowledge of the processes that happen inside this systems and it is a help for the management of constructed wetlands of subsurface flow which are used in wastewater treatment.

[CA] En les últimes dues dècades, la utilització d'aiguamolls artificials com a sistemes de depuració d'aigües residuals en xicotetes poblacions espanyoles, amb menys de 2.000 habitants equivalents (h-e), s'ha estès considerablement a causa dels resultats satisfactoris obtinguts a nivell tècnic, social i ambiental. S'ha adquirit molta experiència a nivell constructiu gràcies a eixe desenvolupament, però falta aprofundir en la modelació d'aquests elements de tractament a fi de poder dissenyar-los i gestionar-los el més eficientment possible. L'objectiu del present treball és el desenvolupament d'una ferramenta matemàtica per a la modelació d'aiguamolls artificials de flux subsuperficial, prenent com a exemple per a la definició i calibratge del model les dades empíriques de l'aiguamoll artificial de flux subsuperficial horitzontal de l'Estació Depuradora d¿Aigües Residuals (EDAR) urbanes de Carrícola (València). En primer lloc, s'ha realitzat un inventari dels distints models desenvolupats fins al moment per a la simulació d'aquest tipus de sistemes. Entre ells destaquen com més utilitzats el Constructed Wetland 2D (CW2D) i el Constructed Wetland Model number 1 (CWM1), ambdós basats en la sèrie de models mecanicistes Activated Sludge Model (ASM) per a la simulació de fangs activats en depuració clàssica. El model desenvolupat es basa en el CWM1 fent ús de la notació matricial de Petersen (1965) per a la definició del submodel cinètic reactiu dels processos físics, químics i biològics. Posteriorment, s'ha definit el model matemàtic amb l'ajuda del software AQUASIM, concretament fent ús del compartiment biofilm disponible directament en el programa. Aquest compartiment consta de dues elements: la biopel·lícula i el volum útil. La biopel·lícula és aquell element constituït pels microorganismes encarregats de la degradació dels distints contaminants i de la matèria orgànica inerta i els sòlids suspesos no orgànics que acaben reblint l'aiguamolls de flux subsuperficial. D'altra banda, el volum útil és l'aigua lliure, completament mesclada, que circula per l'aiguamoll. Les variables incloses són matèria orgànica, amoni, nitrats, fosfats, sòlids suspesos no volàtils i bacteris heteròtrofes, autòtrofes, acidogèniques i metanogèniques. Una vegada calibrat s'han dut cuatre simulacions (funcionament en flux pistó, augment de la població, rebliment de l'element i incorporació de la variable evapotranspiració potencial) per a ampliar el coneixement que es té de l'aiguamoll artificial subsuperficial de flux horitzontal de Carrícola. El model implementat permet conèixer les concentracions d'eixida, la grossària de la biopel·lícula formada en l'aiguamoll i la seua composició i el grau de rebliment. Per tot això, el model és una ferramenta útil per a ampliar el coneixement dels processos que ocorren en l'interior d'aquests sistemes i és una ajuda per a la gestió d'aiguamolls artificials de flux subsuperficial operats com a elements de depuració d'aigües residuals.

[ES] En las últimas dos décadas, la utilización de humedales artificiales como sistemas de depuración de aguas residuales en pequeñas poblaciones españolas, con menos de 2.000 habitantes equivalentes (h-e), se ha extendido considerablemente debido a los resultados satisfactorios obtenidos a nivel técnico, social y ambiental. Se ha adquirido mucha experiencia a nivel constructivo, pero falta profundizar en la modelación de estos elementos de tratamiento con el fin de poder diseñarlos y gestionarlos lo más eficientemente posible. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo de una herramienta matemática para la modelación de humedales artificiales de flujo subsuperficial (HAFSS), tomando como ejemplo para la definición y calibración del mismo los datos empíricos del humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal (HAFSSH) de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) urbanas de Carrícola (Valencia). En primer lugar, se ha llevado a cabo un inventario de los distintos modelos desarrollados hasta el momento para la simulación de este tipo de sistemas. Entre ellos destacan como más utilizados el Constructed Wetland 2D (CW2D) y Constructed Wetland Model number 1 (CWM1), ambos basados en la serie de modelos mecanicistas Activated Sludge Model (ASM) para la simulación de fangos activados en depuración clásica. El modelo desarrollado se basa en el CWM1 haciendo uso de la notación matricial de Petersen (1965) para la definición del submodelo cinético reactivo de los procesos físicos, químicos y biológicos. Posteriormente, se ha definido el modelo matemático con la ayuda del software libre AQUASIM, concretamente haciendo uso del compartimento biofilm disponible directamente en el programa. Dicho compartimento consta de dos elementos: la biopelícula y el volumen útil. La biopelícula está constituida por los microorganismos encargados de la degradación de los distintos contaminantes y de la materia orgánica inerte y sólidos suspendidos no orgánicos que acaban colmatando los HAFSS. Por otra parte, el volumen útil es el agua libre, completamente mezclada, que circula a través del humedal. Las variables incluidas son materia orgánica, amonio, nitratos, fosfatos, sólidos suspendidos no volátiles y bacterias heterótrofas, autótrofas, acidogénicas y metanogénicas. Una vez calibrado se han realizado cuatro simulaciones (funcionamiento en flujo pistón, aumento de la población, colmatación del elemento e incorporación de la variable evapotranspiración potencial) para ampliar el conocimiento que se tiene del HAFSSH de Carrícola. El modelo implementado permite conocer las concentraciones de salida del sistema, el espesor de la biopelícula formada en el humedal y la composición de la misma y el grado de colmatación. De este modo, dicho modelo es una herramienta útil para ampliar el conocimiento de los procesos que ocurren en el interior de estos sistemas y es una ayuda para la gestión de HAFSS operados como elementos de depuración de aguas residuales.