Presentación FVF Badajoz 12-12-2014

FILTROS VERDES EN FLOTACIÓN

Conceptos básicos y

Criterios de Selección y Diseño

DEPURACION DE AGUAS RESIDUALES DE BAJO COSTE PARA PEQUEÑAS POBLACIONES

Puebla de la Calzada (Badajoz), 12 de diciembre de 2014

GIDARGRUPO DE I+D SOBREDEPURACIÓN DE A.R.

Jesús FernándezGrupo de Agroenergética

Universidad Politécnica de Madrid

Filtros Verdes en Flotación. Prof. Jesús Fernández . ETSIA. UPM.

a,b. plantas anfibias o palustres.

c,d. plantas acuáticas arraigadas con hojas flotantes

e,f. plantas acuáticas arraigadas totalmente sumergidas

g,h. plantas acuáticas libres, sumergida (g), y flotante libre (h).

Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema3/tema3_4hidrofita.htm

TIPOS DE MACROFITAS ACUÁTICAS (HIDROFITOS)(definiciones)

También denominadas helofitas o macrofitas emergentes


AERÉNQUIMA DE HOJAS Y TALLO DE ENEA (Typha latifolia L.)


MORFOLOGÍA DEL AERENQUIMA EN LA ESPADAÑA (Typha sp.)

Fuente: Ursula RoWalatt . Architecture of the leaf of the greater reed mace, Typha latifolia L.Botanical Journal of the Linnean Society (1992) 110: pp. 161-170.

Diafragmas transversales con perforaciones permeables a los gases



OXIGENACIÓN NATURAL DE LAS RAICES DE LAS HELOFITAS

RADIACIÓN SOLAR

O2 Fotosintético (interno)

Difusión de O2 del aire (21%)

Movimiento del O2 por el AERENQUIMA por diferencia de presiones parciales

ZONA DE PRESIÓNSUPERIOR DE O2

ZONA DE BAJAPRESIÓN DE O2

RIZOSFERAcon

BACTERIAS AEROBIAS

ZONA ANAEROBIA

FONDO DEL HUMEDAL

DETALLE DEL SISTEMA RADICULAR DE LA ENEA DESARROLLADA DIRECTAMENTE SOBRE EL AGUA


ACCIÓN DEPURADORA DE LAS MACROFITAS ACUÁTICAS

- Sedimentación y retención de sólidos en suspensión

- Oxigenación de la rizosfera

- La rizosfera actúa como soporte de microorganismosque destruyen la materia orgánica

- Destrucción de patógenos

- Absorción de nutrientes minerales

- Absorción de metales pesados

- Detoxificación de compuestos químicos nocivos

(fenoles, glicoles, sales de amonio cuaternario, etc...)


HUMEDALES CON PLANTAS ARRAIGADAS

EMERGENTES EN FLUJO SUBSUPERFICIAL EMERGENTES EN FLUJO VERTICAL

Humedales artificiales

EMERGENTES EN FLUJO SUPERFICIAL (Humedales naturales)


SISTEMAS DE DEPURACIÓN CON PLANTAS EN FLOTACIÓN

FLOTANTES NATURALES EN FLUJO LIBRE(Humedales naturales o artificiales)

HELOFITAS FLOTANDO EN FLUJO LIBREFiltros verdes en flotación

(Humedales artificiales)


• Economía en la construcción y en el mantenimiento, ya que no necesita sustrato (grava).

• Mayor superficie radicular para soporte de los microorganismos

• Menor necesidad de superficie debido a su mayor eficacia

• Ausencia de colmatación del sustrato

• Mantenimiento en el tiempo del poder de depuración

• Facilidad para la recolección de toda la biomasa incluida la de la zona sumergida

VENTAJAS DE LOS SISTEMAS EN FLOTACIÓN FRENTE A LOS SISTEMAS DE PLANTAS ARRAIGADAS


VENTAJAS DE LAS HELOFITAS• Mayor variedad de especies autóctonas disponibles

adaptadas a un amplio rango de condiciones ambientales.

• Mayor capacidad de almacenamiento de biomasa y por lo tanto menor número de cosechas anuales.

• Mayor superficie aérea para captación de oxígeno

VENTAJAS DE LAS PLANTAS FLOTANTES• Flotan naturalmente por lo que no necesitan ayudas

para formar el tapiz flotante

COMPARACIÓN DE LOS FILTROS DE HELOFITAS EN FLOTACIÓN FRENTE A LOS DE PLANTAS FLOTANTES NATURALES


Período 1993-97→ Desarrollo de la Patente ES 2 120 388


Contrato UPM – AENAExperimentación del sistema FMF,

desarrollado por la UPM, en el Aeropuerto de Madrid-Barajas

(1997-2002)


http://www.fundacionglobalnature.org/macrophytes/Manual%20sobre%20fitodepuracion.htm

Proyecto Europeo (Life medio ambiente) LIFE02 ENV/E/000182:

FILTROS VERDES CON MACROFITAS EN FLOTACIÓN (FMF) PARA EL LITORAL MEDITERRÁNEO

NEW FLOATING MACROPHYTE GREEN FILTERS (FMF) FOR THE MEDITERRANEAN REGION

(2002 – 2005)


Díptico editado por el Ayuntamiento de Fabara

PLANTA DE FITODEPURACIÓN DE FABARA (ZARAGOZA)En funcionamiento desde 2006


FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS

Es necesario conseguir que, plantas que naturalmente se

encuentran enraizadas en el fondo de una laguna o curso de

agua se desarrollen flotando en la superficie del agua.

PROBLEMÁTICA


PROBLEMÁTICA DE LA FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS

ASPECTOS FAVORABLES

• Baja densidad de la helofitas (~ 0.6-0.7), por lo que flotan en el agua• El sistema radicular de las plantas adultas puede formar un tapiz estable y

continuo por entramado de las raíces, estolones y rizomas• El tapiz formado por las raices estolones y rizomas de las plantas adultas, junto

con la base de los tallos, mantiene el conjunto en flotación con los tallos erguidosy emergentes de la superficie del agua.

ASPECTOS DESFAVORABLES• Las plantas jóvenes tiene el centro de gravedad en la parte emergente, por lo que

tienen tendencia al vuelco.• Cuando se vuelca la parte aérea de las plantas jóvenes, las hojas dejan de

funcionar correctamente, llegando a morirse, lo que retrasa o imposibilita el desarrollo de una estructura estable en forma de tapiz.

SOLUCIÓN: Es necesario desarrollar sistemas que mantengan a las plantaserguidas durante el desarrollo inicial para permitir que se forme el tapiz radicular y el sistema flote libremente.


PROBLEMÁTICA DE LA FORMACIÓN DE UN TAPIZ FLOTANTE CON HELOFITAS

Posibles soluciones

FORMACION DEL TPIZ EN EL FONDO DEL HUMEDAL

DESPLAZAMIENTO DEL CENTRO DE GRAVEDAD

AUMENTO DE LA BASE DE SUSTENTACIÓN

EMERGENCIA DE BROTESEN RIZOMAS QUE FLOTAN

EN LA SUPERFICIE


Inicios en las experiencias del Aeropuerto de Madrid Barajas


Problemas detectados en la implantación por el sistema FMFen la EFAR del Aeropuerto de Madrid-Barajas

Dificultad de mantener las plantas erguidasdebido al mayor peso de la parte aérea que lashace volcarse, debiendo echar nuevos broteshasta lograr el equilibrio e iniciar el crecimiento.Esto supone dificultad y retraso en laimplantación del tapiz flotante.

© J FERNANDEZ © J FERNANDEZ


A pesar del retraso que supone elm vuelco de las plantas al final se consiguió el filtro en la EFAR de Barajas


Filtro de Avilés (Lorca), implantado sobre el fondo del canal. Proyecto Life Medio Ambiente “Macrophytes (FMF)” ENV/E/000182 (2002-2005).

© J FERNANDEZ

© J FERNANDEZ

IMPLANTACIÓN SOBRE EL FONDO DEL HUMEDAL


IMPLANTACIÓN SOBRE EL FONDO DEL HUMEDAL

Filtro de Fabara (Zaragoza), implantado sobre el fondo del canal. Proyecto Proyecto financiado por el Ayuntamiento de Fabara (2006).


IMPLANTACIÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL HUMEDALInicio del desarrollo del sistema TTF-UPM

(Sistema TTF-UPM)Patente ES 2 331 556


IMPLANTACIÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL HUMEDALSistema DFH (UPM)

(Sistema DHF-UPM)M.U. ES 1 081 331 U


IMPLANTACIÓN SOBRE LA SUPERFICIE DEL HUMEDALSistemas de plataforma de sustentación superficial (Varias empresas)

(Se presentan 3 ejemplos )

Sistema Hidrolution S.L.Tomado de CEDEX Ingeniería Civil 168/2012. pag 136

Sistema Lotus Filter Systems http://estrategia-inmobiliaria.com.pe/lotus--filter-depura-agua-sin-consumir-energia/

Sistema AQ3M de Agua Matrixhttp://aguainc.com/es/agua-matrix/


Criterios de Selección y Diseño de los Filtros de Helofitas en Flotación (FHF)


CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO DE LOS FHF

• Selección de la especie de helofita a emplear

• Determinación de la superficie necesaria

• Opción por la geometría del humedal

• Elección del sistema de implantación

• Dotación de instalaciones anexas


CRITERIOS DE ELECCIÓN DE LA ESPECIE DE HELOFITA

• Adaptación a las condiciones climatológicas de la

zona (preferible especies autóctonas).

• Rápida ocupación de la superficie por emisión de

estolones o rizomas.

• Relación adecuada de altura / producción de biomasa.

• Alta eficiencia en la aireación de la zona radicular.

• Capacidad de desarrollarse en medios eutrofizados.

• Resistencia a plagas y enfermedades.


FORMAS DE REPRODUCCIÓN VEGETATIVA DE LA HELOFITAS

Para una rápida ocupación de la superficie del agua es mejor que se reproduzca vegetativamente por emisión de estolones o rizomas


Tipo de reproducción por ahijamiento en los juncos del Género Scirpus

Producen una macolla muy densa en tallos pero no se extienden en superficie


Tipo de reproducción por ahijamiento en las eneas (Género Typha)

Producen estolones y rizomas con abundantes brotes, extendiendo la plantación en superficie, con abundante formación de raíces


EJEMPLOS DE HELOFITAS DE INTERÉS PARA FILTROS EN FLOTACIÓN

• Espadaña o enea (Typha spp.)• Esparganios (Sparganium sp.)• Carrizos (Phragmites )• Lirio de agua (Iris pseudacorus)

• Juncos ( Scirpus, Juncus, Carex ),.


ENEA O ESPADAÑA (Typha sp.)


ESPARGANIOS (Sparganium sp)S. emersumS. erectum

Detalle de las flores de esparganio


Carrizo (Phragmites australis )


LIRIO DE AGUA (Iris pseudacorus )


JUNCO COMÚN (Scirpus holoschoenus L.) junco del churrero


DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE NECESARIA DE FILTRO PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES (1)

• La superficie necesaria de filtro se suele calcular en base a la reducción de la materia orgánica (DBO y DQO) presentes en el agua hasta lograr las condiciones autorizadas de vertido

Parámetro [ mg/L] % reduc.

DBO5 25 70-90 (s/caudal)

DQO 125 75

MES 35 90



• También producen una reducción significativa de Nitrógeno y Fósforo, pero tienen menor eficacia, por lo que se necesitarían superficies más elevadas si se quisiera controlar estos parámetros, como ocurre en los vertidos a zonas sensibles, según se indica en la tabla siguiente.

Parámetro [ppm ] % reduc.

P 2 (10.000-100.000 h-e)

1 (>100.000 h-e)

80

Nt 15 (10.000-100.000 h-e)

10 (>100.000 h-e)

70-80



FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA SUPERFICIE NECESARIA• La especie vegetal y su capacidad de oxigenación de la rizosfera• La temperatura del agua• La superficie cubierta por las plantas• La necesidad de zonas auxiliares

Capacidad de oxigenación del agua por las helofitas, según datos bibliográficos recopilados por Headley y Tanner (2012)1

* Se considera una reducción del 90 % de la DBO5 de un h.e. (60g DBO5/día)(1) Headley, T.R. y Tanner, C.C..- (2012).- “Constructed Wetlands With Floating Emergent Macrophytes: An Innovative Stormwater Treatment Technology”. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 42:2261-2310.

DBO5 del influente(g de O2/m3)

Eliminación de DBO5(g/m2.dia)

Necesidad por 90% h.e.(54 g DBO5/día)*

m2/h.e.Entre 50 y 100 11,3 (valor medio) 4,8

320 37 1,45



Efecto de la temperatura del agua en la eliminación de la DBO5

• Influye en la solubilidad del oxígeno en agua (disminuye con la tª)• Influye en la velocidad de las reacciones químicas(aumentan con la tª según la Ley de Vant-Hoff, dentro de un determinado rango )

y = 13,502 e-0,02x

R² = 0,9874

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Solu

bilid

ad d

e O

2(p

pm)

Temperatura ºC



Tª Eliminación DBO5/m2.dia

Necesidadm2/hab.equiv

25 30 2

22 25 2,40

20 18 3,33

15 12 5,00

10 9 6,67

7 8,1 7,41

y = 4,3388e0,0755x

R² = 0,972

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Elim

inac

ión

DB

O5

(g/m

2.di

a)

Temperatura ºC

Relación entre temperatura y eliminacion de DBO5

Valores experimentales de la relación entre la tª y la necesidad de superficie para reducir la DBO5correspondiente a un habitante equivalente (60 g de DBO5)

Fuente: Datos experimentales durante 2 años del Grupo de Agroenergética de la UPM



Valores experimentales obtenidos en diversas EFAR en Proyectos de investigación de la UPM


Proyecto Periodo

Eliminación de DBO5 por los FVF

Media Máxima Mínima

% g/m2.dia % g/m2.dia Mes % g/m2.dia Mes

BarajasSup. 1440 m2

h.e: 700

3 años2000-2002

(27 muestreos)80,6 23,5 95,4 27,82

Junio 2001

52,6 15,33Febr.

2002

Life- (Coy)Sup. 892 m2

h.e.500

5 mesesMay-Sep

2005(4 muestreos)

88,95 29,9 90,9 30,5Mayo

200586,8 29,14

Agosto2005

FabaraSup. 3.240 m2

h.e. 1.300

6 años2007-2013

(14 muestreos)83,1 20,0 94,8 22,8 Jun 2008 63,6 15,3

Mayo 2007

Reducción de la DBO5 por los FHF (g/m2.dia)


Valores experimentales obtenidos en diversas EFAR en Proyectos de investigación de la UPM


Necesidad de superficie (m2/h.e.)

Proyecto Periodo

Necesidad de superficie para Eliminación del 90 % de la DBO5 de 1 h.e. (54 mg O2)

Media Máxima Mínima

m2/h.e m2/h.e Mes m2/h.e Mes

BarajasSup. 1600 m2

h.e: 700

3 años2001-2003

(27 muestreos)2,30 1,94 Junio 2001 3,52 Febr. 2002

Life- (Coy)Sup. 892 m2

h.e.500

5 mesesMayo-Sep.

2005(4 muestreos)

1,80 1,77 Mayo 2005 1,85 Agosto 2005

FabaraSup. 3.240 m2

h.e. 1.300

6 años2007-2013

(14 muestreos)2,7 2,37 Junio 2008 3,52 Mayo 2007

CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO DE LOS FHF

• Selección de la especie de helofita a emplear

• Determinación de la superficie necesaria

• Opción por la geometría del humedal

• Elección del sistema de implantación

• Dotación de instalaciones anexas


Elección de la Geometría del Humedal

Se han desarrollado 2 tipos básicos de humedales para FHF para proporcionar

la superficie deseada: CANALES conectados en serie o BALSAS


PretratamientoINFLUENTE

EFLUENTE

PretratamientoINFLUENTE

EFLUENTE



CANALES O BALSAS


Se han desarrollado 2 tipos básicos de humedales para FHF para

proporcionar la superficie deseada: (canales conectados en serie o balsas)


VENTAJAS DE LOS CANALES RESPECTO A BALSAS• Ausencia de caminos preferenciales• Facilidad de plantación• Facilidad de mantenimiento y reposición de plantas.• Facilidad de siega y cosecha de la biomasa aérea• Facilidad para aplicar tratamientos fitosanitarios

INCONVENIENTES DE LOS CANALES RESPECTO A BALSAS• Necesidad de mayor superficie global• Menor relación superficie / volumen debido a los taludes (menor tiempo

de retención)• Construcción más costosa en la excavación y en la superficie total de

lámina empleada.• Dificultad en conseguir grandes profundidaes

EFECTOS DE LA COSECHA DE LA BIOMASA AÉREA


BENEFICIOS DE LA SIEGA• En la fase de implantación se favorece el desarrollo del sistema radicular frente al

aéreo, lo que da más estabilidad a la plantación (evita el vuelco)• Se elimina materia orgánica y contaminantes minerales• Se puede aprovechar la biomasa cosechada• Se estimula el crecimiento• Se favorece la penetración y el transporte de oxígeno, al quedar las hojas y tallos

sección conectados directamente a la atmósfera. • Se favorece la circulación interior del aire en las plantas por “efecto Venturi”

PERJUICIOS EN EL FILTRO POR NO COSECHAR LA BIOMASA AÉREA• Se produce gran cantidad de materia orgánica que se incorpora al agua residual• No se eliminan nutrientes• Mayor mortalidad de plantas que al quedar en el medio es difícil reponer• Mayor retraso en la emergencia de nuevos brotes en primavera• Disminución paulatina del número de brotes• Dificultad en conseguir una buena aireación.

EFECTOS DE LA COSECHA DE LA BIOMASA AÉREA


Figure 4.7. A) and B) Early spring harvest plot with new green cattail 1 m high, unharvested areas are covered in deadfall with little emerging new growth. (pag. 126)

EJEMPLO DE DIMENSIONES DE UN “CANAL TIPO”

4 m

1 m0,8 m

2 m

3,6 m Volumen de agua por m lineal: 2,24 m3

Superficie por m lineal de lámina de agua: 3,60 m2

Volumen de agua por m2: 0,62 m3/

2 - 4 m

0,20 m4,00 m


Condiciones de funcionamiento para 1 h.e. Volumen de vertido diario:…………… 0,25 m3/diaNecesidad de superficie FVF estimada : 2,5 m2

Tiempo de retención hidráulica ………. 6,2 días

CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DIMENSIONAMIENTO

DEL SISTEMA FHS

•Lámina de agua: 2- 4 m2 / hab. - equivalente (según climatología)

•Anchura de pasillos : 2-4 m

•Tiempo de retención: mínimo 5 días

•Cantidad de plantones iniciales: 16 unidades / m2 de fondo del canal (equivalen a 9 unidades / m2 de lámina de agua)

•Mantenimiento : Siegas periódicas en el período de desarrollo vegetativo (2 / año); Tratamientos fitosanitarios si son requeridos (pulgón, araña roja etc.)

•Precauciones especiales: en zonas frías se pueden utilizar cubiertas plásticas en final otoño e invierno para aumentar el ciclo vegetativo de la parte aérea de las plantas.

•Elementos clave: terreno perfectamente nivelado (flujo-pistón), impermeabilización de canales (geotextil + PE >1.5 mm espesor o geomembranas), vallado, etapa de implantación (~ 2-6 meses dependiendo de la época y climatología).


REDUCCIÓN MEDIA DE LOS PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN DEL FILTRO DE MACROFITAS DE BARAJAS A LO LARGO DE 3 AÑOS


PARÁMETRO Reducción media (%)

Rango de variación

Reducción según

normativa (%)

DQO 65,7 88,4 – 33,3 75

DBO5 80,6 95,5 – 52,63 70 – 90

Solidos en suspensión 94 100 - 82 90

N-total 35,8 77,0 – 12,0 70 - 80

P-total 27,1 53,6 – 6,3 80

Documents

Presentación FVF Badajoz 12-12-2014