Procedimiento de Diseño de Humedales de Flujo Subsuperficial

PRETRATAMIENTO

A. El fondo de este cajón está 15 cm más bajo que el nivel de llegada del emisario (10– 15 cm según recomendación del ex – IEOS). Tiempo de caída:

CAJÓN DE ENTRADA:

Donde: t= Tiempo de caída (S) y= Desnivel desde el fondo del cajón y el emisario g=gravedad (9.81 m/s2)

Distancia a la que debe ir la pantalla:

Donde: X=distancia a la que debe ir la pantalla t= Tiempo de caída (S) V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s)

B.

Ancho del canal de llegada: Según Manual de depuración Uralita: 0.30m<b<0.70m

Pendiente del canal: S ≥ 0.5% Manual de Depuración URALITA

Según la normativa del EX - IEOS, recomienda las siguientes velocidades:

CANAL DE LLEGADA

- V > 0.6 m/s. (A Caudal Medio Qmed.)

- V < 2.5 m/s. (A Caudal Máximo Qmáx.)

Por lo tanto el procedimiento que sigue a continuación se debe realizar para cada caudal, con la

finalidad de evitar velocidades muy altas que causen erosión en el canal o velocidades muy bajas

que favorezcan la sedimentación, las siguientes fórmulas son para canales rectangulares:

Donde: K=Constante de velocidad Q= Caudal (m3/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig b=ancho del canal de llegada (m) S=pendiente del canal (%)

.g2yt =

V.tX =

1/28/3 S*bn*QK =

Canal rectangular, entonces:

Donde: d=tirante de agua en el canal (m) b= ancho del canal de llegada (m) K= Constante de velocidad

Velocidad en el canal:

Donde: V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)

Altura total del canal: hT ≥ 0.40m

BLhhh sT ++=

Donde: hs= altura de seguridad. H = corresponde al tirante de agua para el caudal medio. BL= es el borde libre por seguridad.

C. La velocidad del flujo entre las barras se debe mantener entre:

0.40 ≤ V ≤ 0.75 m/s → Caudal Mínimo y Medio 0.70 ≤ V ≤ 2.50 m/s → Caudal Máximo

El ancho en la zona de rejillas vendrá dado por:

CRIBAS:

Donde:

c= ancho del canal de llegada s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m)

El número de barras vendrá dado por: Donde:

Nb= Número de barrotes s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m) b= ancho de la zona de rejillas (m)

0.74232K*1.66240bd=

1/22/3 S*R*n1V =

( ) sas1scb ++

−=

sasbNb

+−

=

Si el ancho entre el canal de llegada y la zona de rejillas es diferente, se requiere hacer una transición entre las dos estructuras, dicha longitud de transición está dada por:

El ángulo de transición adoptado de 12.5º, ya que con este ángulo se obtienen perdidas mínimas en la transición (Manual de depuración Uralita).

Verificación de la velocidad del flujo en el canal de cribado:

Donde: K=Constante de velocidad Q= Caudal (m3/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig b=ancho del canal de llegada (m) S=pendiente del canal (%)

Canal rectangular, entonces:

Donde: d=tirante de agua en el canal (m) b= ancho del canal de llegada (m) K= Constante de velocidad

Velocidad en el canal:

Donde: V= Velocidad con que llega el agua al cajón (m/s) n= Coeficiente de rugosidad de Mannig R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)

Perdidas de energía en la rejilla:

Tabla………:Pérdidas de Energía en la Rejilla (Según Kirshmer): Fuente: Manual de depuración Uralita

β Tipo de Barra 2.42 Rectangular con cara recta 1.67 Rectangular con cara recta y semicircular 1.79 Circular

Donde:

V= Velocidad a caudal máximo en la rejilla (m/s) g=gravedad (9.81 m/s2) R=Radio hidráulico del canal (m) S=pendiente del canal (%)

2(tan12.5) bb

L llegada de canalcribado de canal −=

1/28/3 S*bn*QK =

0.74232K*1.66240bd=

1/22/3 S*R*n1V =

2gvhv

2

=

El ángulo de inclinación de las barras entre 45 y 60 (Según EX – IEOS)

Donde: H= Perdida total en la rejilla (m) β=gravedad (9.81 m/s2) s= separación entre barrotes (m) a= diámetro del barrote (m) hv=Perdida de energía en la rejilla (m) ϴ= Ángulo de inclinación adoptado.

Según EX – IEOS: Hmín ≥ 0.15m

Área de la Rejilla: Donde:

A= Área de la rejilla (m2) Q=Caudal máximo (m3/s) V= Velocidad a caudal máximo (m/s)

Tirante de agua en la rejilla:

Donde: y= Tirante de agua en la rejilla (m) A= Área de la rejilla (m2)

b= Ancho de la rejilla (m)

*Altura de la rejilla:

Hrej= y + BL + H

Donde: Hrej= altura total de la rejilla H = Pérdida total en la rejilla BL= Borde libre por seguridad.

*Longitud de la Rejilla:

Donde: L= Longitud total de la rejilla (m) H = Altura total de la rejilla (m) ϴ= Ángulo de inclinación adoptado.

*Volumen de agua que pasa por la rejilla durante 1 día de operación.

Donde: Q= Caudal máximo (m3/s) t= Tiempo (1 día=86400s) Vol= Volumen que pasa por la rejilla en un día (m3)

θsenHL =

θhv.sensaβH

34

=

VQA =

bAy =

QtVol =

Tabla ……: Material cribado retenido según aberturas de cribas Fuente: Normativa de EX - IEOS (Tabla X.4)

Abertura (mm) Cantidad (α) (l/m3) 20 0.038 25 0.023 30 0.023 40 0.009

*Volumen del material retenido durante un día de operación:

Donde: VMT= Volumen de material retenido en la rejilla (m3) α = Cantidad según abertura (Tabla…) Vol= Volumen que pasa por la rejilla en un día (m3)

D.

Según el Ex – IEOS, la velocidad del flujo en el desarenador esta entre: 0.24m/s < V < 0.35m/s.

*Área del Desarenador:

DESARENADOR:

Donde: A= Área del desarenador (m2) Q=Caudal máximo (m3/s) V= Velocidad en el desarenador adoptada (m/s)

* Longitud de transición al desarenador

2(tan12.5) bb

L cribado de canalrdesarenado −=

*Tirante de Agua:

Donde: A= Área del desarenador (m2) b= ancho del desarenado (m) ha= tirante de agua en el desarenador (m)

( )Vol αVMT =

VQA =

bAha =

*Altura de sedimentación, de acuerdo con la normativa del EX – IEOS es de mínimo 0.20m.

HT = ha + hs

Donde: HT= Altura total del desarenador (m) ha= Tirante de agua en el desarenador (m) hs= Altura de sedimentación (0.20m)

*De acuerdo con el Manual de Depuración Uralita, en un desarenador:

5hb1 <<

Donde: h= Altura total del desarenador (m) b= Ancho del desarenador (m)

EX – IEOS: tiempo de retención del flujo dentro del desarenador va de 30 a 90s, y el periodo de limpieza del mismo de 10 a 30 días.

*Volumen máximo de agua que pasa por el Desarenador a los 15 días.

Donde: Q= Caudal máximo (m3/s) t= Tiempo (s)

Cantidad de arena recogida por el desarenador, según el Texto de la Dra. Petia Mijaylova Nacheva varía de 7,5 a 90 lts por cada 1000 m³ de AR.

*Volumen de Arena Recogida por el Desarenador:

Donde: Cant =Cantidad de arena recogida en el desarenador, adoptado (m3) Vol = Volumen de agua que pasa por el desarenador en 15 días.

*Según Ex – IEOS: Se debe considerar una tasa de aplicación del desarenador entre 25m/h y 50m/h.

QtVol =

( )1000000

rec Cant.Volarena Vol =

*Área superficial del Desarenador:

Donde: Q= Caudal máximo (m3/h) Ts= Tasa de aplicación del desarenador (m/h)

*Longitud del Desarenador:

Donde: Varena= Volumen de arena recogida en el desarenador (m3) Ht= Altura total del desarenador (m) b= Ancho del desarenador (m)

*Según la normativa del Ex – IEOS: Se debe incrementar la longitud del desarenador entre el 30% y 50%.

*Longitud última del desarenador:

( )∇−= 1LLu Donde:

L= Longitud total del desarenador (m) Δ= Incremento de longitud (%)

*Según la normativa del Ex IEOS, la relación entre el largo y la altura del desarenador debe ser mínimo de 25.

Donde:

Ht= Altura total del desarenador (m) L= Longitud total del desarenador (m)

Chequeo de la Eficiencia Hidráulica del Desarenador: *Volumen útil del desarenador, para cada cámara:

Donde: L= Longitud del desarenador (m) Hs= Altura del desarenador (m) b= Ancho del Desarenador (m)

Q(Ts)A =

Ht(b) VarenaLd =

25HtL

≥

L(Hs)(b)Vútil =

*Periodo de retención:

Donde: Vútil= Volumen útil del desarenador (m3) Q= Caudal máximo (m3/s)

*El periodo de retención debe ser menor o igual al periodo de retención adoptado para el diseño.

adoptadoTrTr ≤

E.

Para la remoción de aceites animales o minerales (hidrocarburos), con una densidad de alrededor de 0,8 kg/l, se debe proveer una permanencia de:

Tabla …..: Periodo de Permanencia en el Desengrasador Fuente: Normativa de EX - IEOS (Tabla X.4)

DESENGRASADOR:

Tiempo de Permanencia (min) Caudal (l/s) 3 < 10 4 10 – 20 5 > 20

La carga superficial recomendada es de 4 l/(s.m2) y el área se determina para el caudal máximo horario. Los desengrasadores tienen una relación largo/ancho de 1,8 a 1. (EX – IEOS)

*Superficie del Desengrasador:

Donde: A= Área del desengrasador (m2) Q= Caudal máximo (m3/s) CS= Carga superficial adoptada (l.s.m2)

El denominador dentro de la raíz corresponde a la relación largo/ancho adoptada.

Donde: b= ancho del desengrasador (m) A= Área del desengrasador (m3)

*Longitud del Desengrasador:

Donde: b= ancho del desengrasador (m) L=longitud del desengrasador (m)

QVútilTr =

2

CSQA =

1.5Ab =

1.5(b)L =

*Altura del Desengrasador: Donde:

b= ancho del desengrasador (m) L=longitud del desengrasador (m) TR=Tiempo de permanencia (Tabla….) Q= Caudal máximo (m3/s)

F.

HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL (HSS):

Dentro del diseño de los HSS, se debe considerar varios parámetros que incluyen: tiempo de permanencia hidráulica, profundidad y geometría del humedal (ancho y longitud), así también la concentración de DBO5, Sólidos Suspendidos, Nitrógeno y Fósforo, considerando que el tamaño de los HSS es determinado por el contaminante que requiere la mayor área para su remoción. A continuación se presentan algunos parámetros de diseño para HSS:

Tabla ……: Parámetros indicativos para el diseño de HSS Fuente: Folleto informativo de Tecnologías de aguas residuales EPA

Parámetro de Diseño Unidad HSS Tiempo de retención Hidráulica d 3 – 15 Profundidad del Humedal m 0.30 – 0.90 Carga Hidráulica m3/m2.d 0.014 – 0.046 Superficie Específica Ha/(103 m3/d) 7.1 – 2.15 Pendiente % < 5

Así también, se debe considerar el material filtrante dentro del lecho, dadas las características de

este de acuerdo con su granulometría:

Tabla …..: Características típicas de los medios para HSS Fuente: Depuración de Aguas Residuales con Humedales Artificiales (Lara J., 1999)

Tipo de material Tamaño efectivo

D10 (mm) Porosidad

(n) Conductividad Hidráulica

(k) m3/m2.d Arena gruesa 2 28 – 32 100 – 1000 Arena gravosa 8 30 – 35 500 – 5000 Grava fina 16 35 – 38 1000 – 10000 Grava media 32 36 – 40 10000 - 50000 Roca gruesa 128 38 - 45 50000 - 250000

bLTR(Q)h =

Tabla ….: Características típicas de especies vegetales para HSS Fuente: Manual de Fitodepuración (BEASCOCHEA E., 2009)

*Dentro del proceso de diseño, corresponde seleccionar la profundidad del HSS, para la siembra de carrizos. Considerando que la grava que se encuentra en contacto con la atmósfera se encontrará parcialmente mojada, y una de residuos de vegetación que cubren el humedal.

De la Tabla……., seleccione el tipo de grava, por ejemplo:

Grava Media

Tamaño Efectivo 32mm Porosidad 38 %

Conductividad Hidráulica 25000 m3/m2.d

Siendo la temperatura media del agua determinada durante los aforos de 23,8ºC, se determina la temperatura en el humedal que por lo general tiende a bajar 1ºC. (Lara J., 1999)

1 - Agua TempHumedal Tem =

De aquí que la constante de temperatura en el humedal es:

( )2023 06.1104.1 −= TK

Para el diseño del humedal, se requiere expresar el caudal en unidades de m3/día.

*Remoción de la DBO5:

Considerando la concentración de DBO5, se determinó la superficie necesaria para su remoción, considerando una concentración en el Efluente de 100mg/l de acuerdo con el límite máximo permisible de DBO5 para reutilización en la agricultura según la normativa del medio ambiente.

Especie Vegetal Profundidad de la Raíz (cm)

JUNCOS 30

ENEAS 60 PHRAGMITES > 75

( ) ( )[ ](y)(n)K

DBOLnDBOLnQAs

23

EFLUENTE5AFLUENTE5 −=

Considerando la superficie del humedal, su profundidad, carga de caudal y porosidad del medio filtrante se determina el periodo de retención hidráulica.

QAs(y)(n)TRH =

Considerando la última capa de grava y la capa de residuos que cubren el humedal se debe determinar el coeficiente de transferencia de calor.

Tabla 6.7: Conductividad Térmica de los componentes de un HSS Fuente: Depuración de Aguas Residuales con Humedales Artificiales (Lara J., 1999)

MATERIAL K (W/mºc) Capa de restos de vegetación 0.05 Grava seca (25% de humedad) 1.50 Grava Saturada 2.00 Suelo Seco 0.80 Hielo (a 0ºC) 2.21

Por lo que el coeficiente de calor esta dado por:

3

3

2

2

1

1

KY

KY

KY

1U++

=

Donde:

Y1,2,3: Espesor de cada una de las capas que componen el HSS

K1,2,3: Conductividad Térmica de cada capa.

Considerando este coeficiente de calor, se calcula el cambio de temperatura en el humedal:

( )( )( )( )( )nyQCp

86400TRHTaireTaguaUTc −=

Donde: T agua: Temperatura del agua residual tomada durante los aforos (23.8ªC)

T aire: Temperatura del aire, obtenida del análisis hidrológico (22.34 ºC) Cp: Capacidad de Calor Específico del AR (4215 J/Kg ºC)

De aquí que la temperatura del efluente está dada por: TcTaguaTe −=

La temperatura promedio en el humedal será de:

2TeTaguaTw +

=

La temperatura promedio en el humedal debe ser menor o igual a la temperatura del afluente.

Tw ≤ Tafluente

Para una mejor eficiencia del sistema y facilitar operaciones de mantenimiento se diseñaran dos humedales, por tanto la superficie de cada humedal es:

humNºAsAp =

Ancho de cada humedal:

=

hum(J)(Ks)NºQ/Ap

y1W

Longitud del Humedal:

mWApL =

*Remoción de Sólidos Suspendidos: Para determinar la remoción de sólidos en el humedal, se debe considerar la velocidad del flujo en el humedal en función de la cual se efectuara la sedimentación. Velocidad del flujo:

(100)AsQCH =

Concentración de Sólidos en el efluente:

( )[ ]0.0014(CH)0.1058SSCe +=

A continuación se debe verificar que la concentración de sólidos en el efluente cumpla con los requerimientos de la normativa base. *Remoción de Nitrógeno: Para la eficiente remoción del nitrógeno en un humedal se debe considerar la temperatura del agua dentro del humedal, para llevar a cabo los procesos de desnitrificación. Constante de temperatura en el humedal:

( )20TT 1.0480.2187K −=

Superficie necesaria para la remoción de Nitrógeno:

KT(n)(y)NefluenteNafluenteLNQ

As

=

El tiempo de retención hidráulica del flujo para la remoción del nitrógeno es de:

QAs(y)(n)TRH =

La superficie de 6342.41m2 y el TRH de 5 días, consideran que en el humedal solamente radica el vertido, ignorando tanto la grava como la vegetación presente, considerando estos factores el diseño se da como sigue a continuación: Primeramente se determina la concentración de Nitrógeno como Nitrato en el efluente, dado que el Nitrato permanece en el agua para ser absorbido por medio de la vegetación, en este diseño en particular el carrizo lo absorbe por vía radicular y lo utiliza para formar sus proteínas. La desnitrificación del nitrato a nitrógeno gaseoso, se produce en condiciones anaerobias por microorganismos que utilizan el nitrato como aceptor de electrones y el carbono orgánico como donante electrónico; es decir, son condiciones indispensables la ausencia de oxígeno y la disponibilidad de carbono orgánico. (BEASCOCHEA E., 2009)

La concentración de nitratos en el afluente es de: 7.60 mg/l.

( )H))EXP(-KT(TRafluente NitratosCe =

Para determinar la superficie requerida para la remoción del nitrato se realizaron dos cálculos, considerando el 50 y 100% de obstrucción del humedal a causa de las raíces.

*50% de obstrucción: Constante de obstrucción al 50%.

08288.0100500.3922+0.01854

2.6077

)50( =

=K

Superficie del humedal:

(n)(y)KNefluenteNafluenteLNQ

As(50)

(50)

=

Tiempo de Retención Hidráulica:

QAs(y)(n)TRH =

Concentración de Nitratos en el Efluente:

( )(TRH))EXP(-Kafluente NitratosCe (50)=

*100% de obstrucción:

Constante de obstrucción al 100%.

0.410741001000.3922+0.01854K

2.6077

(100) =

=

Superficie del humedal:

(n)(y)KNefluenteNafluenteLNQ

As(100)

(100)

=

Tiempo de Retención Hidráulica:

QAs(y)(n)TRH =

Concentración de Nitratos en el Efluente:

( )(TRH))EXP(-Kafluente NitratosCe (100)=

*Remoción de Fósforo: El fósforo, se acumula en los sedimentos, cuando no es constituyente de organismos. Así pues, el principal mecanismo de remoción de fósforo de las aguas residuales necesariamente está basado en la acumulación en sedimentos y biomasa; la vegetación contribuye a la remoción del fósforo, siempre y cuando la biomasa se retire del sistema. La remoción del fósforo en los humedales artificiales requiere de un proceso que exige grandes superficies, en este caso se tiene una concentración en el efluente de 5.31 mg/l, la normativa permite una concentración de 10 mg/l, de acuerdo a esto la remoción de fósforo no es un factor limitante del diseño. Para constancia del proceso de diseño se calculó la superficie necesaria para la remoción del fósforo, donde se adopto una concentración en el efluente de 5.00 mg/l. Basándose en el análisis de los datos de la North American Data Base, Kadlec ha propuesto una constante de primer orden igual a 10 m/año para estimar la remoción de fósforo en un sistema de humedales artificiales. Los 10 m/año equivalen a 2.74 cm/día. (Lara J., 1999)

Esta constante se usa en la siguiente ecuación para calcular la Carga Hidráulica promedio anual:

−=

PP Ce

2.74EXPCaCH

Superficie requerida para la remoción de fósforo:

( )

2.74

100CeCaLNQ

As P

P

=

Periodo de Retención Hidráulica:

QAs(y)(n)TRH =

De acuerdo con el cálculo presentado, si se requiere una concentración en el efluente menor a la

adoptada de 5 mg/l, la superficie aumentara radicalmente.

*Superficie de Diseño:

La superficie de diseño corresponde a la de mayor magnitud entre las calculadas:

Superficie para Remoción de DBO: Superficie para Remoción de NT (50% raíces) Superficie para Remoción de NT (100% raíces) Superficie para Remoción de PT:

De las superficies expuestas anteriormente, la de mayor magnitud es la necesaria para la remoción

del Nitrógeno Total con una obstrucción por raíces del 50%, pero se debe tener presente que la

obstrucción por raíces es del 100% considerando la grava que conforma el lecho del humedal, por

tanto la superficie de diseño no considera una obstruccion del 50% sino del 100%.

humNºAsAp =

Ancho de cada humedal:

=hum(J)(Ks)Nº

ApQ

y1W

Longitud del Humedal:

WApL =